Maxwell在电磁机构设计中的应用
关键字：Maxwell 接触器电磁机构瞬态仿真负载力旋转电磁铁翻板电磁铁
（文章较长，全是干货，如果只需对此介绍有个大体了解的同学可直接查看文章中的视频或图片；而对该软件熟悉的同学，可详细阅读，共同探讨进步）
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Ansys Maxwell是业界领先的电磁场仿真软件，采用有限元分析方法分析电磁场的分布，可以精确地模拟材料的非线性、动态运动过程、静态特性等。其前身是Ansoft公司的产品，全称为Ansoft Maxwell，后面被Ansys公司收购，变成Ansys Maxwell软件。Maxwell软件可独立安装（不需要安装Ansys软件），本人使用的Maxwell的版本是Maxwell 16.0(64-bit)，大家可在网上搜索下载。
Maxwell的功能很强大，但是我们只关心其在中压开关领域上的作用。同学们应该都知道，目前在中压开关中，最常用的两类机构分别为弹簧操动机构和电磁操动机构（包括电磁机构、永磁机构以及脱扣器）。对弹操机构而言，因其是纯机械动作的，通常使用ADAMS进行设计阶段的分析；而电操机构，是通过由电能——磁能——机械能的传递方式，因而需要分析电磁场，这正是Maxwell软件所擅长的领域。
开关元器件中，通常使用较多的是螺线管式电磁铁，按动作特点可分为直动式（如电磁脱扣器）和翻板式（如东芝接触器、ABB的VC接触器），分别见下图。
直动式直线型螺管式电磁铁结构图
1. Yoke
2. Coil
3. Retaining Spring
4. Armature
翻板式：
翻板式接触器电磁机构简图
1.Fix stem
2. Move stem
3. Contactspring
4. Coil
5. Core
6. Support plate
7. Opening spring 8. Rotate armature
那么如何综合高效地利用工具来设计出最佳的电磁铁呢？
如下设计流程图所示，个人总结出设计电磁机构的大致流程（大家有更好的意见和建议，欢迎指出），即：先确定负载力的大小，如VI（如果有）真空自闭力、超程弹簧力（如果有）、复位（分闸）弹簧力；利用ADAMS分析是否分闸的特性满足要求，直至调整所有参数到最佳状态，将所有负载确定下来；然后利用Maxwell优化分析电磁铁的吸合过程。
设计流程图
下面以使用直动型螺管式电磁机构的真空接触器为例说明。
先在ADAMS中分析分闸的机械特性，调整相关参数（如分闸弹簧、超程弹簧等）使得分闸特性参数为最佳。
负载力（有阻力和助力）包括：复位（分闸）弹簧力、动铁芯的重力，有需要的话还可加上真空管的真空自闭力（注意不需要考虑动触头的重力，因为已经在真空自闭力中考虑了）以及超程弹簧力。
假设动铁芯的直线运动行程为8mm，则复位弹簧力和动铁芯的重力在全行程范围中均起作用，而真空管的真空自闭力和超程弹簧力为分段作用，各个阻力可以用以下公式表达：
复位（分闸）弹簧力（1）
动铁芯重力（2）
真空管的真空自闭力（假设开距为5mm，超行程为3mm）（3）
触头弹簧力（假设开距为5mm，超行程为3mm）（4）
联立上述的式（1）（2）（3）（4），将其输入Maxwell的Motion Setup的Load Force 中，如下图所示。
（注意：在软件中，动铁芯的运动位移用position表示）
为什么上面的设计流程图提到需要调整最佳的安匝数（也就是图中的第二个循环箭头）呢？因为按照在分闸位置提供1.3倍的合力F作为初始合闸力计算得出来的安匝数，并不一定能够完全带的动电磁机构运行到合闸位置，也有可能出现合不到位的情况。
下图中的曲线分别表示负载（图中红线表示）和电磁线圈产生的吸力（图中褐色线表示），仔细分析可以发现，对于好的设计，吸力会与负载有个小的交叉区域，这样在能够带动负载的情况下，使得安匝数最小，节省合闸能量。
而下图表示的是合闸时，线圈中电流的变化情况（左边纵坐标），以及动铁芯的行程曲线（右边纵坐标）。可以发现动铁芯从电压施加的起始开始，经过40ms左右的时间合闸到位；而当线圈的电流达到3.2A左右时，动铁芯开始吸合，到动铁芯合闸到位时，由于反向电动势的存在，线圈电流降低到最低点。
下图显示动铁芯在吸合过程中速度的变化情况。
翻板式的电磁机构与直动式的类似，只是在定义负载的时候position代表的是转动的角度(degree)。