MFC調(diào)用ANSYS的磁保持繼電器電磁系統(tǒng)仿真

摘 要： 以某型號(hào)的三相磁保持繼電器為研究對(duì)象，基于MFC調(diào)用ANSYS實(shí)現(xiàn)對(duì)三相磁保持繼電器電磁系統(tǒng)的仿真分析。首先，在分析三相磁保持繼電器的結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上運(yùn)用ANSYS軟件建立三相磁保持繼電器電磁系統(tǒng)的三維實(shí)體模型，并進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?、設(shè)置其各個(gè)參數(shù)；其次，通過輸入?yún)?shù)的處理、修改文本形成新的命令流、VC++編寫程序后臺(tái)調(diào)用批處理文件并顯示結(jié)果、用戶圖形界面設(shè)計(jì)等步驟實(shí)現(xiàn)MFC窗口界面直接調(diào)用ANSYS對(duì)磁保持繼電器進(jìn)行仿真分析；最后，對(duì)模型在不同位置、不同加載電流下的靜態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析，得到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、磁鏈的大小及部分磁場(chǎng)分布情況，繪制出三相磁保持繼電器的特性曲線，分析了三相磁保持繼電器的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)靜態(tài)特性的影響。這種方法充分發(fā)揮了ANSYS和MFC各自的優(yōu)點(diǎn)，為三相磁保持繼電器電磁機(jī)構(gòu)的分析研究創(chuàng)造了便利的條件。

關(guān)鍵詞： 磁保持繼電器； 電磁系統(tǒng)； 靜態(tài)特性； ANSYS

中圖分類號(hào)： TN916.424?34； N945.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）20?0163?04

Abstract： Taking a certain type three?phase magnetic latching relay as the research object， the simulation analysis of the three?phase magnetic latching relay electromagnetic system was realized on the basis of ANSYS called by MFC. On the basis of analyzing the structure principle of the three?phase magnetic latching relay， the ANSYS software is used to establish the 3D solid model of the three?phase magnetic latching relay electromagnetic system， divide the finite elements， and set each parameter. The simulation analysis of magnetic latching relay is realized with ANSYS called directly in MFC window interface， and with the steps of input parameters processing， new command stream forming by text modification， batch file calling at backstage by means of VC++ programming， results displaying， and user graphical interface designing. The simulation analysis of the model′s static characteristics was conducted under the conditions of different positions and different loaded currents to obtain the rotating torque， magnetic flux and partial magnetic field distribution. The characteristic curve of the three?phase magnetic latching relay are drawn. The influence of structure size of the three?phase magnetic latching relay on its static characteristics is analyzed. The method gives full play to the advantages of MFC and ANSYS respectively， and creates a convenient condition to study the electromagnetic mechanism of the three?phase magnetic latching relay.

Keywords： magnetic latching relay； electromagnetic system； static characteristic； ANSYS

0 引 言

目前，隨著電子器件技術(shù)的發(fā)展，在要求高度節(jié)能的環(huán)境中，與之配合使用的繼電器功耗大小尤為重要。磁保持繼電器是一種新型控制電器，具有低功耗的特點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者深入研究磁保持繼電器的特性。邵冬陽采用有限元軟件ANSYS對(duì)某種磁保持繼電器的電磁系統(tǒng)進(jìn)行研究，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性[1]。

MFC是目前較流行的應(yīng)用程序可視化開發(fā)工具，具有突出的優(yōu)勢(shì)。為了解決命令流在電磁機(jī)構(gòu)分析中所存在的問題，更好地進(jìn)行人機(jī)交互體驗(yàn)，文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]提出利用VB及ANSYS提供的二次開發(fā)工具APDL，構(gòu)建了界面友好的電磁場(chǎng)有限元分析模型。借助VB平臺(tái)開發(fā)了方便、實(shí)用的人機(jī)交互界面，減少了對(duì)電磁場(chǎng)有限元分析的工作量。

1 結(jié)構(gòu)原理和主要參數(shù)

磁保持繼電器的功能是對(duì)電路進(jìn)行接通和分?jǐn)?。工作原理為：采用一定方向、大小的電流脈沖驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，在電流脈沖消失后仍能以磁力保持激勵(lì)時(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自保持功能。

磁保持繼電器種類繁多，本文以三相磁保持繼電器為例進(jìn)行闡述：三相磁保持繼電器內(nèi)裝載永磁鐵，通過改變線圈電流的方向?qū)崿F(xiàn)永磁鐵的吸合和釋放，帶動(dòng)整個(gè)觸點(diǎn)系統(tǒng)工作，圖1是其在Pro/E軟件中的3D模型。

三相磁保持繼電器采用脈沖驅(qū)動(dòng)，線圈的額定電壓為12 V，材料為電工純鐵，磁鋼為永磁體。

2 電磁系統(tǒng)三維模型的建立

有限元分析軟件ANSYS是一種綜合仿真軟件，對(duì)電磁系統(tǒng)進(jìn)行分析后得出的結(jié)果準(zhǔn)確。本文將ANSYS作為研究三相磁保持繼電器電磁系統(tǒng)靜態(tài)特性的軟件平臺(tái)。

2.1 三相磁保持繼電器電磁系統(tǒng)模型構(gòu)建

以三相磁保持繼電器電磁系統(tǒng)的實(shí)際規(guī)格為基礎(chǔ)，依據(jù)電磁系統(tǒng)對(duì)稱性的特點(diǎn)，在ANSYS中對(duì)電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，建立電磁系統(tǒng)的二分之一模型。具體步驟如下：首先采用SOLID96電磁場(chǎng)單元進(jìn)行整體建模，再用SOLID36單元對(duì)線圈建模，最后在模型周圍建立空氣層避免漏磁。圖2為建立空氣層后的三維模型。

2.2 網(wǎng)格劃分及施加載荷

網(wǎng)格劃分是有限元離散化的關(guān)鍵一步，本文中剖分單元類型選擇四面體（3D），規(guī)則劃分軛鐵上圓孔與鐵芯之間的氣隙、軛鐵片與鐵芯之間的氣隙、磁鋼、磁極片以及部分軛鐵；自由劃分鐵芯、軛鐵、空氣層，以保證劃分后氣隙處的網(wǎng)格較密，空氣場(chǎng)的網(wǎng)格較稀疏。

對(duì)三相磁保持繼電器，只需對(duì)線圈施加電流激勵(lì)即可。采用SOLID36單元，通過宏RACE建立電流型的“跑道”線圈，并加力標(biāo)記，將銜鐵組件定義成一個(gè)組件，然后進(jìn)行求解。此外還要在模型中的某節(jié)點(diǎn)施加約束，即Mag=0，以此避免出現(xiàn)病態(tài)矩陣。圖3為建立線圈及施加載荷后的模型。

3 實(shí)現(xiàn)調(diào)用ANSYS的MFC窗口

使用ANSYS進(jìn)行有限元分析時(shí)，通常有兩種方法：圖形用戶界面GUI法和命令流法。圖形用戶界面GUI法雖然簡(jiǎn)單易學(xué)，但是在修改模型尺寸參數(shù)時(shí)比較繁瑣，每次都需從頭開始重新建模分析。命令流法可完美解決上述問題，在修改參數(shù)方面相當(dāng)方便簡(jiǎn)潔，但參數(shù)化語言APDL作為ANSYS軟件中用來編寫命令流的工具，卻也存在顯著的不足之處，除了對(duì)一般用戶來說短時(shí)間內(nèi)不易掌握之外，還不能提供圖形化界面輸入，可視化效果也較差。

本文提出了一種基于MFC控件開發(fā)的ANSYS程序的調(diào)用方法。它充分發(fā)揮了ANSYS和MFC各自的優(yōu)點(diǎn)，為磁保持繼電器電磁機(jī)構(gòu)的分析研究創(chuàng)造了便利的條件。

3.1 基本原理和設(shè)計(jì)思路

在封裝后的系統(tǒng)中，MFC創(chuàng)建參數(shù)輸入界面，用戶進(jìn)入界面按相應(yīng)提示輸入或修改相關(guān)參數(shù)并確定，這些賦值后的參數(shù)被傳送到ANSYS的參數(shù)化程序中，VC++便會(huì)在后臺(tái)自動(dòng)調(diào)用ANSYS進(jìn)行仿真求解，并將所得結(jié)果以文本文檔的形式保存，繼而反饋到操作界面里供用戶讀取。為了方便用戶查詢輸入數(shù)據(jù)時(shí)可能發(fā)生的錯(cuò)誤，系統(tǒng)還可以將所輸入的參數(shù)以文本文檔的形式展示給用戶以供修改。在調(diào)用主程序時(shí)必須滿足以下條件：實(shí)現(xiàn)前處理中相關(guān)參數(shù)輸入功能；根據(jù)用戶修改的相關(guān)參數(shù)生成相應(yīng)的ANSYS命令流文件；通過 VC++編寫的程序后臺(tái)調(diào)用批處理文件，采用ANSYS軟件進(jìn)行仿真；將仿真所得到的結(jié)果反饋到程序中，并以文本文檔的形式保存。

3.2 輸入?yún)?shù)的處理方法

MFC是微軟的基礎(chǔ)類庫，包含了許多由微軟公司已經(jīng)定義好的用來開發(fā)Windows應(yīng)用程序的一組類，這些類可以用來表示窗口、對(duì)話框、控制框等標(biāo)準(zhǔn)的Windows部件，并封裝了大部分的API函數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)思路，首先要建立一個(gè)對(duì)話框，對(duì)話框本身以窗口的形式存在，是應(yīng)用程序與用戶交互的界面。在MFC中，對(duì)話框的功能封裝在Cdialog類中，在窗口背后，真正與用戶進(jìn)行交互的是對(duì)話框上的控件。

所以要實(shí)現(xiàn)參數(shù)值的輸入與傳遞，就要建立靜態(tài)文本控件、編輯框控件和按鈕控件。其中靜態(tài)文本控件只能用于顯示字符串，不用接收用戶的輸入信息，可以起到提示的作用。編輯框控件則可以進(jìn)行數(shù)值或文本的輸入。

每個(gè)靜態(tài)文本控件都有一個(gè)編輯框控件和其對(duì)應(yīng)，比如要輸入外柱直徑，就需建立一個(gè)寫有“外柱直徑”的靜態(tài)文本控件，以及一個(gè)與其相對(duì)應(yīng)的編輯框控件，用來定義其對(duì)應(yīng)的成員變量，即外徑直徑的數(shù)值。每個(gè)控件都有一個(gè)ID作為識(shí)別該資源的依據(jù)，MFC就是通過ID來訪問這些資源的。在本文中，將外柱直徑的ID設(shè)置為IDC_EDIT1，另外再建立其對(duì)應(yīng)的成員變量m_ TXZW，除此之外，還要添加代碼實(shí)現(xiàn)控件與成員變量的關(guān)聯(lián)關(guān)系：DDX_Text（pDX，IDC_EDIT1，m_TXZW）。

當(dāng)數(shù)據(jù)成員變量與其對(duì)應(yīng)的控件發(fā)生數(shù)據(jù)交換時(shí)，需要調(diào)用UpdateData函數(shù)。UpdateData函數(shù)決定了數(shù)據(jù)的傳遞方向。將相關(guān)參數(shù)定義為TRUE或缺省時(shí)，數(shù)據(jù)就被傳送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)成員變量中；將參數(shù)定義為FALSE時(shí)，數(shù)據(jù)傳送到對(duì)應(yīng)的控件并顯示出來。

3.3 修改文本形成新的命令流

由于該三相磁保持繼電器的模型中含有多個(gè)非固定值的幾何參數(shù)，這些數(shù)值可能會(huì)隨著幾何模型的不同而改變，而設(shè)置參數(shù)后面的程序一般是相同的。因而在APDL命令流中只需要這些參數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)生改變，其余的不變。

在工程文件夾里新建JDQ.txt文件，并在其中保存一個(gè)完整的磁保持繼電器在某些特定參數(shù)下的APDL命令流，然后通過MFC界面參數(shù)輸入框改寫參數(shù)值，并將新的數(shù)值傳遞到JDQ.txt文件并改寫其中相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，才能形成一個(gè)新的APDL命令流，以上都通過C++語言來實(shí)現(xiàn)。

3.4 調(diào)用文件并顯示結(jié)果

根據(jù)ANSYS的幫助文件，本文通過調(diào)用帶輸入輸出文件參數(shù)的命令流來實(shí)現(xiàn)MFC對(duì)ANSYS的間接調(diào)用。關(guān)鍵的步驟可以分為兩步，第一步MFC調(diào)用批處理文件ansys.dat，第二步是ansys.dat會(huì)后臺(tái)調(diào)用ANSYS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果保存在Result.txt文件中，這種方法簡(jiǎn)單高效，避免了使用軟件接口。

3.5 用戶圖形界面設(shè)計(jì)

本文中設(shè)計(jì)的用MFC編寫的對(duì)話框如圖4所示。它不僅能讓不熟悉ANSYS的用戶完成對(duì)該型號(hào)的三相磁保持繼電器的有限元仿真，而且其可視化界面可方便地對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行查看和記錄。在使用時(shí)，只需要通過輸入框里輸入數(shù)值來改變對(duì)應(yīng)變量的值。點(diǎn)擊“生成txt文件”按鈕，就可以生成命令流文件。然后點(diǎn)擊“調(diào)用ANSYS”按鈕，就可以后臺(tái)調(diào)用ANSYS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。再點(diǎn)擊“計(jì)算結(jié)果”按鈕，就可以將計(jì)算結(jié)果展示出來，得到想要的結(jié)果。最后的“退出”按鈕，可以幫助用戶退出界面。

4 靜態(tài)特性的仿真結(jié)果及分析

銜鐵組件旋轉(zhuǎn)的角度范圍是-5.2°～5.2°，本文對(duì)模型在不同位置、不同加載電流下的靜態(tài)電磁吸力進(jìn)行仿真，并計(jì)算靜態(tài)電磁力矩、磁鏈的數(shù)值，結(jié)果如圖5、圖6所示。

三相磁保持繼電器的磁路中嵌入永磁鐵，它和線圈電流激勵(lì)的磁勢(shì)結(jié)合作用于磁路。由圖5可知，永磁鐵決定了同一旋轉(zhuǎn)角度下，力矩的大小關(guān)于I=0軸呈現(xiàn)不對(duì)稱、關(guān)于點(diǎn)（I，Mx）=（0，0）呈現(xiàn)中心對(duì)稱的特點(diǎn)。由圖6可知，同一旋轉(zhuǎn)角度下磁鏈的大小關(guān)于點(diǎn)（I，Ψ）=（0， 0）呈中心對(duì)稱。選取其中當(dāng)線圈電流為0 A，旋轉(zhuǎn)角度為5.2°時(shí)的模型，其強(qiáng)度矢量圖如圖7所示。

由圖7可知，多數(shù)磁通經(jīng)過工作氣隙δ、軛鐵、線圈時(shí)，嵌入三相磁保持繼電器中的距軛鐵較近的磁極片和永磁鐵構(gòu)成了主磁路，少數(shù)磁存在于離軛鐵較遠(yuǎn)的磁極片里。

5 結(jié) 論

本文以有限元分析法為基礎(chǔ)，對(duì)三相磁保持繼電器的電磁系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，采用MFC繪制用戶界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)ANSYS軟件的后臺(tái)調(diào)用，最后對(duì)其靜態(tài)特性進(jìn)行仿真，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法成本較低，同時(shí)又縮短了研制和開發(fā)周期，為三相磁保持繼電器電磁機(jī)構(gòu)的分析研究創(chuàng)造了便利的條件。

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