基于MATLAB的磁保持继电器电磁机构动态特性计算分析

MATLAB课程设计基于MATLAB的一阶动态电路特性分析学生姓名：叶红英专业年级：10级自动化三班指导老师：杨成慧学院：电气工程学院目录摘要1.绪论2.MTLAB简介2.1 MATLAB基本组成2.2 MATLAB语言特点及功能2.3 MATLAB通用命令2.4 MATLAB编程流程3基于matlab的电路分析及原理3.1零状态响应定义及求解3.2 RC串联电路的正弦激励的零状态响应3.3RL并联电路的正弦激励的零状态响应3.4 零状态响应分解为暂态分量与稳态分量之和学习心得摘要MATLAB是世界流行的优秀科技应用软件之一。

具有功能强大(数值计算、符号计算、图形生成、文本处理及多种专业工具箱)、界面友好，可二次开发等特点。

本文主要介绍基于MATLAB的一阶动态电路特性分析。

其基本内容是利用MATLAB软件完成RC串联电路、RL并联电路的正弦激励的零状态响应程序设计及波形分析。

通过本次课设熟悉了解MATLAB在电路中的应用，并将之前所学的理论知识和这次的设计及仿真结合起来，掌握了RCL一阶动态电路的设计和正确使用。

关键字：MATLAB；一阶动态电路。

1绪论在科学技术飞速发展的今天，计算机正扮演着愈来愈重要的角色。

在进行科学研究与工程应用的过程中，科技人员往往会遇到大量繁重的数学运算和数值分析，传统的高级语言Basic、Fortran 及C 语言等虽然能在一定程度上减轻计算量，但它们均要求应用人员具有较强的编程能力和对算法有深入的研究。

另外，在运用这些高级语言进行计算结果的可视化分析及图形处理方面，对非计算机专业的普通用户来说，仍存在着一定的难度。

MATLAB 正是在这一应用要求背景下产生的数学类科技应用软件。

它具有的顶尖的数值计算功能、强大的图形可视化功能及简洁易学的“科学便捷式”工作环境和编程语言，从根本上满足了科技人员对工程数学计算的要求，并将科技人员从繁重的数学运算中解放出来，因而越来越受到广大科技工作者的普遍欢迎[1]。

基于MATLAB的电磁场数值分析应用[摘要] MATLAB使用计算机进行电磁场数值分析已成为电磁场的工程开发、科研和教学的重要手段。

编程实现从电磁场微分方程到有限元求解全过程需要很好的理论基础和编程技巧，难度较高。

该文介绍了电磁场数值分析的基本理论并通过几个实例介绍了使用MATLAB 实现电磁场偏微分方程的有限元解法。

实验结果表明这一方法具有操作简单明了!运算速度快，计算误差可控制等优点[关键词电磁场数值分析MATLAB 麦克斯韦方程一、问题的提出电磁学是物理学的一个分支，是研究电场和电磁的相互作用现象。

电磁学从原来互相独立的两门科学(电学、磁学)发展成为物理学中一个完整的分支学科，主要是基于电流的磁效应和变化的磁场的电效应的发现。

这两个实验现象，加上麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明起重大影响的电工和电子技术。

针对电磁场学习理论性强、概念抽象等特点，利用Matlab强大的数值计算和图形技术，通过具体实例进行仿真，绘制相应的图形，使其形象化，便于对其的理解和掌握。

将Matlab引入电磁学中，利用其可视化功能对电磁学实验现象进行计算机模拟，可以提高学习效率于学习积极性，使学习效果明显。

通过Matlab软件工具，对点电荷电场、线电荷产生的电位、平面上N个电荷之间的库仑引力、仿真电荷在变化磁场中的运动等问题分别给出了直观形象的的仿真图和数值分析，形实现了可视化学习，丰富了学习内容，提高了对电磁场理论知识的兴趣。

从而更好地解决电磁场中数值分析的问题。

二、电磁场数值解法麦克斯韦方程组是电磁场理论的基础，也是电磁场数值分析的出发点。

它的微分形式方程：ρ=⋅∇=⋅∇∂∂-=⨯∇∂∂+=⨯∇→→→→→→→D B t BE t D H J c 0（1）式中磁场强度电通密度电场强度磁感应强度。

电磁场中各种场量之间的关系由媒质的特性确定。

在各向同性媒质中，由下列结构方程组确定→→→→→→===E J HB ED σμε (2)为获得电磁场问题的唯一解!除上述方程组之外尚需给出定解条件，对静态场和稳态场只需加边界条件，对时变场还需另加初始条件。

电机磁动势的matlab程序
编写电机磁动势的Matlab程序涉及到电机的数学建模和磁场分析。

一般来说，电机磁动势可以通过有限元分析或者解析方法来计算。

以下是一个简单的示例程序，假设我们使用解析方法来计算电机磁动势。

matlab.
% 定义电流和磁场参数。

I = 5; % 电流。

N = 1000; % 匝数。

L = 0.2; % 磁场长度。

mu_0 = 4pi10^-7; % 真空中的磁导率。

% 计算磁动势。

F = NILmu_0;
% 显示结果。

disp(['电机磁动势为，', num2str(F), ' 特斯拉']);
在这个简单的示例中，我们假设电机的线圈匝数为1000匝，通过线圈的电流为5安培，磁场的长度为0.2米，然后利用公式F = NILmu_0来计算磁动势。

最后通过disp函数来显示计算结果。

然而，实际的电机磁动势计算可能更加复杂，可能需要考虑电机的几何形状、磁场分布、非线性特性等。

对于复杂的情况，可能需要使用有限元分析等数值方法来进行计算。

这就需要建立更加复杂的模型，并编写相应的Matlab程序来进行计算和分析。

总之，电机磁动势的Matlab程序编写涉及到电机建模和磁场分析，需要根据具体情况选择合适的方法和工具来进行计算。

东北电力学院学报第20卷第4期Journal Of Northeast China Vol.20,No.4 2000年12月Institute Of Electric Power Engineering Dec.,2000文章编号:1005-2992(2000)04-0024-06基于MATLAB的励磁控制系统性能分析与设计的软件开发黎平(东北电力学院电力工程系,吉林吉林132012)摘要:M AT LAB是一套高性能的数值计算和可视化软件,它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,构成了一个方便的、界面友好的用户环境。

利用M AT L AB开发了发电机励磁控制系统性能分析与设计软件,运用该软件可对励磁控制系统的稳定性和动态性能等进行分析,并设计出满足系统性能要求的励磁控制系统。

关键词:MA T LAB;励磁系统;稳定器中图分类号:T M761+.11T P31文献标识码:A计算机在各行业深入广泛的应用,引发了一场科学和技术革命。

各种数学软件,为科学和技术人员节省了宝贵的精力、赢得了时间。

其中MATLAB以它强大的数学计算功能和简洁的语句、函数及界面友好获得广大科技人员的一致认可,并被名家誉为第四代编程语言[1]。

同步发电机的励磁系统在稳态或暂态过程中,都直接影响着发电机的特性。

优良的励磁系统不仅可以保证高质量的电能、发电机运行的可靠性和稳定性,而且可以有效地提高发电机及其相关的电力系统的技术经济指标[2]。

为此,对励磁控制系统分析和设计一直是一重要的课题。

对励磁系统的性能分析和设计通常采用经典控制理论中时域法、根轨迹、频域法等方法。

设计的方法为试探方式,并且需设计的校正环节中参数之间又相互制约,所以分析和设计时需进行大量数值计算和相应的曲线绘制,采用手算很难完成。

对各物理量及参数对性能的影响,以及如何获得优良的动态品质,也无法深入了解。

利用M ATLAB的控制系统工具箱开发的励磁系统分析与设计软件,可以很好地解决励磁控制系统性能分析和设计的难题。

基于MATLAB的电机仿真分析
MATLAB是一种功能强大的数学软件，它提供了丰富的工具箱和仿真模型，可以用于电机系统的建模和仿真分析。

在电机仿真分析中，MATLAB可以用于电机的电磁特性分析、热特性分析、动态响应分析等方面。

电机的电磁特性分析是电机仿真分析中最基础的部分。

通过建立电机的数学模型，可
以计算电机的转矩、电流、电压等参数。

在MATLAB中，可以利用有限元法或磁路法建立电机模型，计算电机的正常工作状态下的电磁特性。

通过仿真分析可以得到电机的磁场分布、磁链特性、功率特性等信息，为电机设计和控制提供依据。

电机的动态响应分析是电机仿真分析中的另一个重要方面。

电机在启动、变速、制动
等过程中会产生一系列的动态响应，如转速、电流、振动等。

通过将电机的数学模型与控
制算法相结合，可以仿真分析电机在不同工况下的动态响应。

MATLAB提供了丰富的控制设计工具和仿真模型，可以对电机的动态性能进行仿真分析和优化设计。

在电机仿真分析中，通常需要对电机的不同工况进行仿真分析，如额定工况、起动工况、负载变化工况等。

通过仿真分析可以得到电机在不同工况下的性能指标，如效率、功
率因数、转速调节范围等。

这些指标对电机的设计和控制具有重要意义。

基于MATLAB的电机仿真分析是一种先进的电机设计和优化方法。

它可以帮助工程师在电机设计和运行过程中预测和优化电机的性能，提高电机的效率和可靠性。

电机仿真分析
也可以提供给工程师在电机故障诊断和故障排除过程中的重要参考依据。

设计与分析！Sheji yu Fenxi基于A N SY S的磁保持继电器电磁机构仿真分析车赛迟长春左少林(上海电机学院电气学院，上海201306)摘要:磁保持继电器由于体积小、功耗低、稳定性高得到了广泛应用。

现利用A N S Y S软件对磁保持继电器电磁机构进行(D建模 及网格划分，并对电磁机构进行参数化分析，仿真出不同电流大小和不同旋转角度时的衔铁组件电磁力矩曲线。

该方法能够快速准确 出衔铁组件 力矩，了电磁系统的合理性，为磁保持继电器优化设计、研发生产提供了有效手段和理论。

关键词'A N S Y S;电磁机构；衔铁组件；电磁力矩0引言继电器是低压电器中的重要一员，是一种自动电气开关。

的电磁继电器由于 线长电行，不仅耗大电能、大，电磁 电网波动的 ，继电器的 性和 。

大 ，磁保持继电器小、能的继电器应 生，为应现代电子器件低功耗 的低电器[1]。

电磁机构作为磁保持继电器的件 ，为机 分提供电磁力矩，定继电器能够 ，因此对电磁机构进行 分析 的[2]。

用A N S Y S分析软件对电磁机构进行建模仿真及参数化分析，得出了不同 的电磁力矩曲线，了电磁 的性，为电磁机构优化提供了数 及理。

1YK818B磁保持继电器图3磁保持继电器电磁机构示意图理论为基础，通过有限元分析的方法处理电磁问题。

麦克斯韦 微分方程如下[4]:▽X H=J+^#(1)▽x$二-巡(2)▽•# >p(3)▽•B二0⑷1.1磁保持继电器的构成(5)本文针对Y K818B磁保持继电器进行研究分析，线圈额定电压9 V D C，单线圈电阻范围为[72!，89.1 !]，线圈2 500匝，额定电流范围[0.101 A，0.125 A]，额定功率1 W。

继电器带有一对 ，最大 电压为250 V A C，大 电流为60 A。

继电器 构 1所示，内部结构 2所示，构由电磁 、推机构、、簧片和分流片四个分组。

电磁 状的变化使得推机构，实现 的闭合与关断，，动簧片具有载流、散热与提反力的功能。

基于MATLAB的方向阻抗继电器动作特性仿真与研究
方向阻抗继电器是电气系统保护和控制中常用的一种装置，广泛应用
于电力系统中。

它通过检测系统中电流的方向，并根据方向差来判断故障
的类型和位置，从而实现对电力系统中的故障进行定位和切除，保证电力
系统的安全运行。

本文将使用MATLAB软件进行方向阻抗继电器的动作特性仿真与研究。

仿真主要包括以下几个方面的内容：
1.方向阻抗继电器的数学模型建立：根据方向阻抗继电器的工作原理，构建其数学模型。

主要包括电流方向检测模块和故障定位模块。

2.故障类型和位置的模拟：通过对电力系统进行故障注入，模拟电力
系统中的故障类型和位置。

常见的故障类型包括短路故障、接地故障等。

3.方向阻抗继电器的动作特性仿真：将模拟的故障注入电力系统，并
将电流信号输入方向阻抗继电器的数学模型中进行仿真。

根据仿真结果，
分析方向阻抗继电器的动作特性，包括动作时间、动作电流等。

4.方向阻抗继电器参数的优化：根据仿真结果，对方向阻抗继电器的
参数进行优化，使其能够更好地适应电力系统的工况变化，并提高其动作
特性的可靠性与准确性。

通过以上仿真与研究，可以全面了解方向阻抗继电器的工作原理和动
作特性，为方向阻抗继电器在实际电力系统中的应用提供参考。

此外，还
可以通过仿真结果对方向阻抗继电器的参数进行调整和优化，使其更好地
适应电力系统的工况变化，提高电力系统的安全可靠性。

总之，本文通过MATLAB软件对方向阻抗继电器的动作特性进行仿真与研究，将有助于深入理解方向阻抗继电器的工作原理，为其在电力系统中的应用提供理论和技术支持。

继电器电磁机构电磁-热耦合模型建立与计算方法杨文英;郭久威;王茹;翟国富【摘要】继电器电磁机构的动态特性受其本身发热及环境温度的共同影响,在仿真时忽略以上因素会导致结果准确性降低.为解决该问题,通过分析动态特性和热场计算的数学方程,提出一种基于有限元仿真的电磁-热耦合建模方法.该方法旨在通过Flux与Simulink联合仿真,结合相似原理、电阻温度系数和J-A模型,建立一个综合考虑传热学系数、线圈电阻和软磁材料性能的耦合仿真模型.以大功率直流继电器GL200为例,运用耦合建模方法,对不同环境温度和反复短时工作状态下电磁机构动态特性进行仿真分析,并通过与实测数据的对比,证明电磁-热耦合模型仿真结果比忽略温度的模型仿真结果更加合理.%The heat generated by the coil and the environment temperature will affect the dynamic characteristics of relay electromagnetic mechanism. The ignorance of the temperature impacts will decrease the calculating accuracy of dynamic characteristics. To resolve the issue, an electromagnetic-thermal coupling model was established by finite element method, based on mathematic equations of dynamic characteristics and thermal calculation. Considering the similarity principle, the temperature coefficient of resistance and J-A model, a completed coupling model was built in the paper by the combined simulation of a finite element software and Matlab/Simulink. In this model, the conduct thermal coefficient, coil resistance and the soft-magnetic material's properties are considered. The coupling modeling method was used to analyze the dynamic characteristics of high power dc relay GL200 in different environmental temperatures and repeated short workingcondition. The experimental results of the coupling model are more reasonable than those without considering the temperature impacts.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2017(032)013【总页数】9页(P169-177)【关键词】电磁机构;联合仿真;电磁-热耦合;电阻温度系数;J-A模型【作者】杨文英;郭久威;王茹;翟国富【作者单位】哈尔滨工业大学军用电器研究所哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学军用电器研究所哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学军用电器研究所哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学军用电器研究所哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】TM581.3继电器是电器中很重要的一类，是不可替代的最基本器件之一，因此保证其稳定工作是十分重要的。

基于MATLAB的一阶动态电路特性分析一阶动态电路是指由电阻、电容和电感组成的简单线性电路，它们的特性可以用一阶微分方程描述。

在MATLAB中，我们可以利用其强大的数值计算和数据可视化功能，对一阶动态电路进行特性分析。

首先，我们来讨论RC电路的特性分析。

考虑一个由电阻R和电容C组成的RC电路，输入信号为电压源V(t)，该电路的电压关系可以用以下微分方程描述：V'(t) + 1/RC * V(t) = 1/RC * V_in(t)， (1)其中，V'(t)表示电压V(t)对时间的导数，V_in(t)表示输入信号的电压。

要求解方程（1），我们可以利用MATLAB的ode45函数来进行数值求解。

首先，我们需要定义微分方程的右侧函数dydt，即V’(t)的表达式。

假设输入信号是一个正弦波，可以定义dydt如下：function dydt = RC_circuit(t, y)dydt = 1/RC * (Vin(t) - y);end其中Vin(t)表示输入信号的电压，y表示电压V(t)。

接下来，我们需要定义输入信号Vin(t)。

假设输入信号是一个频率为f的正弦波，可以定义Vin如下：function Vin = input_signal(t)Vin = Vp * sin(2*pi*f*t);end其中Vp表示输入信号的峰值，f表示输入信号的频率。

然后，我们需要定义电路的参数，包括电阻R、电容C和输入信号的峰值Vp:R=1e3;%电阻值为1kΩC=1e-6;%电容值为1μFVp=5;%输入信号的峰值为5Vf=1e3;%输入信号的频率为1kHz接下来，我们可以使用ode45函数来求解微分方程，并得到电压V(t)的时间域响应：tspan = [0 5/f]; % 求解的时间范围为一个周期y0=0;%初始电压为0V最后，我们可以利用MATLAB的plot函数将结果可视化：plot(t, y);xlabel('时间 (s)');ylabel('电压 (V)');以上是RC电路的特性分析过程，同样，对于由电感和电阻组成的RL 电路，可以通过类似的方式进行特性分析。

实验二利用MATLAB进行系统动态特性分析（任务）引言：系统动态特性分析是指通过研究系统的动态响应，来了解系统的性能和稳定性。

在工程领域中，对不同系统进行动态特性分析是非常重要的，可以帮助我们了解系统的稳定性、响应特性以及对外部输入的敏感度等，并且可以为系统设计和控制提供重要的依据。

实验目的：通过数据采集的方法，运用MATLAB工具对动态系统进行特性分析，掌握系统的稳态特性和暂态特性，并对系统性能进行评估。

实验器材和原理：实验器材：电脑、MATLAB软件实验步骤：1. 导入数据：将实验得到的数据导入MATLAB中，可以通过Excel等工具将数据保存为文本格式，然后使用MATLAB的读取函数导入数据。

2.绘制时域响应曲线：根据导入的数据，使用MATLAB中的绘图函数绘制出时域响应曲线。

根据实验需要，选择绘制的曲线类型，如步跃响应曲线、阶跃响应曲线等。

3.基本特性分析：-稳态误差：通过分析曲线的极限值和最终值，计算出系统的稳态误差。

-加载响应：通过观察曲线的上升时间、峰值时间、峰值以及超调量等指标，来评估系统的负载能力。

-过渡过程：观察曲线的上升时间、峰值时间以及超调量等指标，来评估系统的动态响应特性。

4.绘制频域响应曲线：通过数据采集得到的数据，使用MATLAB中的频域分析工具绘制频域响应曲线，观察系统的频域特性。

5.使用MATLAB进行数据处理和分析：根据实验需要，对导入的数据进行处理和分析，如计算系统的传递函数、计算系统的频域性能等。

6.实验结果分析：根据绘制的曲线和计算的数据，分析系统的稳态特性和暂态特性，并对系统的性能进行评估。

可以根据实验结果，进行系统设计改进或控制参数调整。

实验注意事项：1.数据采集过程中要注意信号的采样频率和采样精度，以保证数据的准确性。

2.在绘制曲线时要选择合适的曲线类型和参数，使得曲线能够准确表达系统的动态特性。

3.在数据处理和分析过程中要注意使用合适的算法和公式，确保结果的准确性。

赵!勇!"#$%"#$男$工程师$博士$主要从事机电系统仿真研究%吴端健!"##("#$男$工程师$主要从事继电器等电子元件设计与制造研究%刘!雷!"#%("#$男$高级工程师$主要从事继电器等电子元件设计与制造研究%磁保持继电器动态特性一维仿真及试验赵!勇 !吴端健 !刘!雷中国振华电子集团贵州振华群英电器有限公司 贵州贵阳!&&$$#(摘!要 为研究磁保持继电器的动态特性$基于3>L@?=:F 建立了其机电磁耦合计算的一维仿真模型%首先在3F R T @??里进行磁路仿真得到电磁力矩和电感等静态特性数据$并与3>L@?=:F 平台上搭建的机械系统和电路系统进行耦合$实现继电器动态特性的仿真求解%最后利用高速摄像机对电磁机构进行了动态特性测试$验证了前述仿真模型的正确有效性%所得结论对后续产品的优化设计具有重要价值%关键词 磁保持继电器 动态特性 I%>,;.42 高速摄像机中图分类号 23'%"6.!文献标志码 4!文章编号 &(#'5%"%%!&(&.#"(5(($75('()* "(6"77&%896:;<=6&(#'5%"%%6&(&.6"(6("&'(K .7:;2?.%626>P QB ,3.7,6?0%3(@627.4G 52324?,3.1?.4%0I286,?.4<2?45.68+,;2@.1+8M &02$!*L7:%0W )%0$!!"L!()![C=V M>C N M@;MCF f C;K =;A ^?@:D J =:4PP?=F ;:@,>6$X D L6$,M=;F N M@;MCF ^?@:D J >;=:G [J >CP $[C=K F ;A ''(("%$,M=;F #C D 1?324? 2>G D CLK D M@LK ;F E =::MF J F :D @J =G D =:G >B D M@E F A ;@D =:?F D :M=;A J @?F K $D M@"QE @:MF ;=:F ?5@?@:D J =:F ?5E F A ;@D =::>CP?=;AE >L@?=GOC=?D OF G @L >;3>L@?=:F 6U =J G D ?K $D M@E F A ;@D =::=J :C=D G =E C?F D =>;=G:>;LC:D @L =;3F R T @??D >>OD F =;D M@G D F D =::MF J F :D @J =G D =:LF D F G C:M F G @?@:D J >E F A ;@D =:D >J SC@F ;L =;LC:D F ;:@$F ;L :>CP?@L T =D M D M@E @:MF ;=:F ?F ;L :=J :C=D G K G D @E GOC=?D >;D M@3>L@?=:FP?F D B >J E D >F :M=@I @D M@G =E C?F D =>;F ;L G >?CD =>;>B J @?F K LK ;F E =::MF J F :D @J =G D =:G 6U =;F ??K $D M@M=A M G P@@L :F E @J F =G CG @L D >D @G D D M@LK ;F E =::MF J F :D @J =G D =:G B >J D M@@?@:D J =:F ?E @:MF ;=G ED >I F ?=LF D @D M@PJ @I =>CG G =E C?F D =>;E >L@?62M@:>;:?CG =>;G F J @I F ?CF O?@B >J >PD =E =V =;A D M@PJ >LC:D 6E ,@/%3>1 7286,?.4;2?45.683,;2@ >@627.4452324?,3.1?.41 I%>,;.42 5.851B ,,>427,32(!引!言磁保持继电器的电磁机构包含了永磁体$因而具有高灵敏度&负载能力强&动作速度快&低能耗等特点$在军用&民用&航天等领域得到了广泛的应用)"*%磁保持继电器的动态特性指标的好坏直接影响其所控制的电气回路工作的可靠性$因此研究其动态特性有很重要的意义%继电器动态特性分析涉及机械运动方程&电路方程&磁路方程的耦合计算%目前针对动态特性分析主要有如下两种方法'其一采用磁场计算软件计算得到磁路静态特性曲线$将其作为边界条件导入多体动力学软件中进行三维瞬态动力学求解获得动态特性)&5'*(其二是完全瞬态的计算方法$在当前时间步$先求解磁场获得电磁力$然后求解机械运动方程得到衔铁位移(求解电路方程$获得线圈的瞬时电流&电感$然后改变衔铁位置计算下一时间步的特性$最终获得动态特性)75%*%本文基于3>L@?=:F 语言搭建磁保持继电器机电磁耦合的一维仿真模型$实现继电器的动态特性的一维快速求解$并进行影响因素分析%最后与实测结果进行对比以验证模型的有效性%7"!仿真计算模型'&'F 磁路结构电磁继电器磁路结构如图"所示%图"!电磁继电器磁路结构!!该磁保持继电器磁路部分由永磁体&轭铁&衔铁&固定块&铁心&气隙等组成%在图示未加激励的状态下$衔铁在永磁体作用下处于自保持的状态%随着左侧线圈通电电流的增加$左侧气隙的合成磁通大于右侧气隙的合成磁通$衔铁顺时针转动$右侧气隙逐渐打开左侧气隙逐渐闭合$状态切换完成后$左侧线圈断电%当右侧线圈通电后$衔铁将再次回到图示状态%'&!F 磁路静态特性磁路静态特性可在3F R T @??中采用有限元法进行静磁场分析获得线圈电流)&衔铁转角'两个参量分别与衔铁所受电磁力矩N &线圈磁链/!或电感!#的关系$形成二维静态数据表$供动态特性计算时调用$即N>N !)$'#/>/!)$'#!"#!!同时$线圈磁链/&电感!及电流)满足'/>!)!&#!!在3F R T @??中搭建$磁路有限元模型如图&所示%图示状态为仿真的初始状态$此时线圈电流)b (4&衔铁转角'b (q %右侧线圈仿真过程未参与工作$因此模型未对其划分网格%图&!磁路有限元模型!!分析前首先设置材料属性$其中轭铁&衔铁&铁心等软磁材料均为真空退火处理后的电工纯铁Q 2)^$永磁体选用铝镍钴X `[2$&%本文分析的继电器工作电压为L b &%\$线圈电阻=b .&("$因此线圈稳态电流)b (6(%$'4%衔铁转动的最大角度'E F R b )6'q $将线圈电流)从(4到(6(%$'4区间离散化$将衔铁转角'从(q 到)6'q 区间离散化$对模型施加相应边界条件$计算不同线圈电流)和衔铁转角'对应的衔铁所受电磁力矩N 及线圈电感!$形成二维数据表或曲面图的形式%静态曲面图如图.所示%图.!静态曲面图!!由图.!F #可见$衔铁在初始位置下仅受永磁体作用处于自保持状态$所受电磁力矩为负值!逆时针方向#$该状态下随着线圈电流的增大$所受电磁力矩变为正值!顺时针方向#$衔铁将顺时针转动$当转动到最大角度时$所受电磁力矩达到最大值%由图.!O #可见$衔铁在初始位置和终止位置时$由于衔铁与轭铁直接接触$磁路中磁阻较小$因此线圈电感较大$而在中间位置$磁路磁阻较大$线圈电感较小%同时$当衔铁转角一定时$随着电流的增大$电感均呈减小趋势%'&#F 动态特性计算动态特性计算涉及机械运动方程&电压平衡方程&磁路方程的联合求解)#*%其中$衔铁的机械运动方程为@L &'L 6&>NFN B !.#式中'!@"""衔铁组件的转动惯量(N B"""衔铁组件的负载力矩%其中$N B 忽略摩擦阻力和空气阻力$主要考虑由与衔铁连接的簧片系统产生的反力!图"未示出#$可由实测得到%负载力矩图如图)所示%图)!负载力矩图!!电磁系统的电压平衡方程为L /L 6>LF)=!)#!!联立式!"#j 式!)#$采用相关数值算法进行求解$便可获得继电器的动态特性%本文采用多领域物理系统建模语言3>L@?=:F $建立了机电磁耦合的一维仿真模型%一维仿真模型如图'所示%3>L@?=:F 语言是一种基于方程的&面向对象的编程语言$语法上不强调建模的因果关系$采用拖拽式建模$不必编写代码实现组件之间的数据传输$因而大大提高了建模的效率)"(*%图'!一维仿真模型!!图'中$仿真模型中上方虚线框内为电路系统$下方虚线框内为机械系统$左侧虚线框内.个数据表分别对应图.&图)的线圈电感&衔铁电磁力矩以及负载力矩%&!结果分析!&'F 计算结果在3>L@?=:F 平台上求解图'仿真模型$可快速获取继电器的动态特性%设置仿真时间为"(E G $时间步长为(6"E G $求解得到线圈电流及衔铁转角随时间变化曲线%线圈电流&衔铁角位移曲线分别如图7和图$所示%图7!线圈电流曲线图$!衔铁角位移曲线!!由图7和图$可见$线圈加电后$线圈电流逐渐增加$至&6.E G 时衔铁所受的合力矩方向发生变化$衔铁开始转动(由图.!O #可知$线圈电感随着衔铁的转动先变小再变大$对应线圈电流曲线则先变大再变小$至)EG 时衔铁转动到极限位置$其转角不再变化$线圈电感也不再变化$线圈电流再次逐渐上升到稳态电流(6(%$'4%!&!F 影响因素分析基于图'的一维仿真模型$可以方便地调整机械参数或电气参数$考察参数变化对系统动态性能的影响%下面主要分析衔铁组件的转动惯量和电源电压变化对系统动态性能的影响%参数变化对动态性能的影响如图%所示%图%!参数变化对动态性能的影响!!由图%!F#可见$当将衔铁组件转动惯量提高'( $对应动作时间变长$由"6$E G增加到&6&E G%由图%!O#可见$当将线圈两端电压由&%\减小到"%\时$衔铁动作的开始时间将延后约.E G$同时动作时间也延长(6&E G%.!试验验证利用高速摄像机高速成像原理对电磁机构的动态过程进行实时采集$然后利用图像分析软件进行特征点的检测与提取$可以得电磁机构衔铁主运动方向上的位移时间曲线)""5"&*%本文采用3^3W^,43Z-5'^5$'*型高速摄像机作为图像采集设备$其最高帧率可达$'(((帧8秒%实际拍摄帧率可设为"((((帧8秒$对应每一帧为(6"E G$正好与3>L@?=:F仿真时间步长一致%输出图像分辨率设为"&%(p#7(%由于待测试的磁保持继电器正面被其他零件遮挡$无法观测衔铁的转动情况$因此从侧面进行拍摄$这样采集到的是衔铁水平运动的位移情况%记衔铁水平位移为3$衔铁转动半径为H$根据几何关系$水平位移3与衔铁转角'满足'3>H G=;'E F R&FH G=;!'E F R&F'#!'#式中'!'E F R"""衔铁转动的最大角度%测试样件及试验测试平台如图#所示%样件水平粘贴在工作台面上$为了获得较好的拍摄效果$调整摄像机微距镜头与样件的拍摄距离在"倍焦距到&倍焦距之间%同时$为了提高后期图像数据的处理精度$布置两盏高亮度照明灯$以增强运动部件与周围环境的对比度%最后$接通线圈两端的电源$自动触发摄像机开始拍摄%图#!测试样件及试验测试平台!!经高速摄像机拍摄得到的是衔铁动作过程的视频文件!4\d格式#$视频文件里时间的单位是帧$而拍摄帧率!"((((帧8秒#是固定的$因此可以将时间单位换算成秒(视频文件里衔铁水平位移是以像素为单位的$通过在图形分析程序3\d^_里进行标定$得到单个像素相当于实际的长度值$这样就可以将衔铁水平位移的单位由像素转换成毫米%将图$衔铁角位移曲线经式!'#变换后得到水平位移曲线$并与衔铁实测位移曲线进行比较%衔铁水平位移曲线如图"(所示%图"(!衔铁水平位移曲线!!由图"(可见$衔铁在&6.E G后开始动作$仿真动作时间约为"6$E G $实测动作时间约为"6%E G $实测值滞后约(6"E G $即一个拍摄帧数$两者相对误差约'6' $其原因主要是仿真时未考虑存在的摩擦阻力及空气阻力等因素的影响%)!结!语!"#建立了磁保持继电器机电磁一维联合仿真模型$实现了系统动态特性的快速求解%基于3F R T @??分析得到了励磁电流&衔铁转角与衔铁力矩和线圈电感的关系%!&#提出了在3>L@?=:F 平台上进行机电磁联合仿真的方法$其中电路部分和机械部分直接在3>L@?=:F 平台进行建模$磁路特性部分由3F R T @??计算后以图表形式导入3>L@?=:F 平台供求解调用$并分析了机械参数和电气参数变化对系统动态性能的影响%!.#采用高速摄像机对电磁机构的动态运动过程进行拍摄$经图形分析处理获得衔铁动作位移曲线$相较仿真数据动作时间误差为'6' $验证了所建立模型的正确有效性%参考文献)"*!梁慧敏$朱旭晴$李东晖$等6磁保持继电器静态吸附力特性测试装置)1*6电器与能效管理技术$&(&"!&#'7(57)6)&*!郭继峰$任万滨$马岩$等6基于虚拟样机技术的汽车电磁继电器静动态特性研究)1*6电器与能效管理技术$&(")!&(#'&(5&.$.$6).*!贺开华6永磁接触器动态特性仿真分析)1*6船电技术$&((#$&#!)#'&&5&'6))*!苏秀苹$杜士平6三相磁保持继电器动态特性分析及容差设计)1*6电器与能效管理技术$&("%!)#''(5')6)'*!丁国成$杨海涛$李博宇$等6有载分接开关瓦斯继电器动作特性试验研究)1*6高压电器$&(&.$'#!)#'"'75"7"6)7*!杨文英$刘兰香$刘洋$等6考虑碰撞弹跳的接触器动力学模型建立及其弹跳特性影响因素分析)1*6电工技术学报$&("#$.)!##'"#((5"#""6)$*!周学$王其亚$翟国富6航天电磁继电器动态特性分析与研究)1*6低压电器$&(($!"'#'"&5"76)%*!麦荣焕$费翔$许巧云$等6相控断路器电磁缓冲与分闸特性研究)1*6高压电器$&(&($'7!""#'"7(5"776)#*!朱艺青6基于正交试验的直流电磁继电器优化设计)1*6电器与能效管理技术$&(&&!.#'7.5$"6)"(*!赵建军$吴紫俊6基于3>L@?=:F 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基于ANSYS对磁保持继电器电磁系统的计算
刘帼巾;段文乐;李凤
【期刊名称】《电工电气》
【年(卷),期】2016(000)006
【摘要】利用ANSYS软件对旋转式磁保持继电器进行建模及网格划分，对磁保
持继电器电磁系统的静态特性进行了仿真，计算出了静态的电磁力矩和磁链，绘制出力矩特性曲线，得出磁通密度矢量图。

该仿真方法快速准确地验证了继电器电磁系统的合理性，为继电器的优化设计提供了有效手段。

【总页数】5页(P16-19,23)
【作者】刘帼巾;段文乐;李凤
【作者单位】河北工业大学电器研究所，天津300131;河北工业大学电器研究所，天津 300131;河北工业大学电器研究所，天津 300131
【正文语种】中文
【中图分类】TM581
【相关文献】
1.基于VB调用ANSYS软件的磁保持继电器电磁机构分析 [J], 李忠良;刘向军
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萌
3.基于MATLAB的磁保持继电器电磁机构动态特性计算分析 [J], 李忠良
4.基于ANSYS的磁保持继电器电磁机构仿真分析 [J], 车赛;迟长春;左少林
5.基于ANSYS的磁保持继电器电磁机构仿真分析 [J], 车赛[1];迟长春[1];左少林[1]
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基于Matlab程序的电磁铁的设计与性能分析费凡;王月明【摘要】论文根据期望的电磁铁性能要求,首先确定了电磁体的设计步骤,然后利用Matlab程序进行分析计算,得出各项性能指标,并与期望的要求进行对照,找出不足之处,加以改善.【期刊名称】《机电产品开发与创新》【年(卷),期】2012(025)004【总页数】2页(P108-109)【关键词】电磁铁;线圈;Matlab【作者】费凡;王月明【作者单位】西南交通大学机械工程学院,四川成都610031;西南交通大学机械工程学院,四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】TP3170 引言电磁铁的结构多种多样，其在工业生产中有着广泛的应用，如电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车等。

电磁铁通过对磁路进行快速线性激磁，在很短的时间内产生很大的作用力[1]。

该力在理论上确实与气隙长度的平方成反比。

根据运用的场合不同，其工作制可以是连续的，也可以是间断性的。

本文将以圆柱形电磁铁为例，来验证Matlab分析程序的可靠性。

1 电磁铁设计[1]一般说来，电磁铁线圈就是要在气隙闭合时有一定的吸附力，在气隙最大伸展空间时必须产生一个提升力。

根据其运行特性可知，要产生吸附力必须满足铁磁材料已进入饱和状态的条件。

因为，此时线圈电流已超出维持饱和时铁磁材料的磁动势所需之值，所以，此时吸附力已与线圈电流无关。

另一方面，要产生提升力，就必须满足其饱和度能达到可以忽略程度的要求。

此时，其内部磁路的磁导基本上就是气隙的磁导。

要产生吸附力，很大程度上取决于各铁磁磁路的横截面面积，而提升力决定了线圈最小磁动势的值。

电磁铁的结构各式各样，本文所要探讨的圆柱形电磁铁结构如图1所示，框架是固定的，活塞式铁芯与被驱动的机械负载相连。

一个非磁性的薄护套为铁芯提供导向作用，这里忽略铁芯和护套间的摩擦。

因为护套产生的气隙不能产生推动铁芯的力，所以护套要尽可能做的薄一些，以避免浪费过多的磁动势。

另外在图中标示了十个位置，用来做磁通密度的计算。

基于MATLAB的继电器静态特性仿真程序
刘世明;井嵘
【期刊名称】《电力系统保护与控制》
【年(卷),期】2003(031)005
【摘要】介绍了一个继电器静态特性仿真程序-PRESC,该程序在MATLAB语言环境下使用,采用开放式结构,可以由用户扩充继电器判据,进行仿真计算和分析.对PRESC的几种用处,包括继电器特性分析、选相元件仿真以及单端电量测距算法仿真等,都举例进行了演示.
【总页数】4页(P77-80)
【作者】刘世明;井嵘
【作者单位】烟台东方电子信息产业集团股份有限公司,山东,烟台,264001;烟台市电业局,山东,烟台,264000
【正文语种】中文
【中图分类】TM74
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3.基于Matlab的径向小孔节流静压气体轴承静态特性分析 [J], 李树森;元月;王也
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5.基于MATLAB的方向阻抗继电器动作特性仿真与研究 [J], 刘艳萍;刘金龙;吕俊峰
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