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可靠性技术是20世纪50年代发展起来的一门技术，它包括可靠性设计、可靠性制造、可靠性管理、可靠性试验及失效分析等内容。一个控制系统或电力系统的可靠性在很大程度取决于该系统中所用元件或设备的可靠性，如果元件或设备的可靠性不高，则系统的可靠性就很难得到保证。 在很多系统中，电磁电器占很大比例，而电磁电器的感测机构大都是电磁系统，电磁系统是各种电磁电器的重要组成部分，因而电磁系统的可靠性研究十分重要。
在交流接触器电磁机构中，因为分磁环受到洛仑兹力，会产生形变，如果分磁环的设计不合理，或者分磁环的材料不合理，会导致分磁环的松动或断裂，从而导致电磁机构所受到的最小电磁吸力不能满足要求，不能消除接触器的振动与噪声。
本文利用Ansoft公司开发的Maxwell 3D软件对交流接触器的电磁机构的稳态特性进行分析与仿真，并用ePhysics软件对交流接触器电磁机构分磁环进行应力计算。基于应力－强度干涉模型对分磁环进行了可靠性分析。 1 交流接触器电磁机构分析模型
CJ20-25型交流接触器的双E型电磁机构的模型如图1所示。利用Maxwell 3D软件对其实体进行建模，几何模型包括：动铁心、静
铁心、线圈、分磁环和求解区域。
对于已经建立好的交流电磁机构来说，我们设置求解区域为空气；输入B-H曲线定义静铁心和动铁心的材料；设置线圈和分磁环的材料为铜。建完几何模型后，为各实体赋予已定义好的材料属性，随后即可以进行网格剖分。本文对动静铁心、线圈进行的网格划分，是采用的手动网格剖分。定义上下铁心剖分的网格最大边长为5mm，线圈剖分的网格最大边长为4mm，分磁环剖分的最大边长为0.4mm。网格剖分的结果如图1所示。在本文中对模型施加系统默认的边界条件。
2 应力-强度干涉模型的基本原理
应力-强度分布干涉模型(Stress-Strength interference model)简称为干涉模型，可以清楚的揭示零件可靠性设计的本质，因此是零件可靠性设计的基本模型。8毛门
由载荷、温度、湿度等因素引起物体内部某点处截面内力的集度。其大小和方向决定于所考虑点的位置和截面方向。若过某点任一截面微元 s 上的内力合力为 F ，则该点在此截面上的应力
lim s F
s ，此应力在截面法线方向的分量称为法向应力，在
截面内的分量称为剪应力。一般而言，施加于产品或零件上的物理
量，如应力、压力、温度、湿度、冲击、电压等等，统称为产品或零件所受到的应力，用Y表示。物体内某点不同方向截面的应力情况称为该点的应力状态。
影响应力的随机量，有载荷情况、应力集中、工作温度、润滑状态等等。
金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。一般而言，产品或零件能够承受这种应力的程度，统称为产品或零件的强度，用X表示。按外力作用的性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等，工程常用的是屈服强度和抗拉强度，这两个强度指标可以通过拉伸试验测出。
强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。也就是说，强度是衡量零件本身承载能力(即抵抗失效能力)的重要指标。强度是机械零部件首先应满足的基本要求。机械零件的强度一般可以分为静强度、疲劳强度、断裂强度、冲击强度、高温和低温强度、在腐蚀条件下的强度和蠕变、胶合强度等项目。强度的试验研究是综合性的研究，主要是通过其应力状态来研究零部件
的受力状况以及预测破坏失效的条件和时机。
影响强度的随机量有零件材料性能、表面质量、尺寸效应、材料对缺口的敏感性等等。
由于强度X 及应力Y 本身是某些随机变量的函数，因而应力、强度均为具有一定分布的随机变量。
由统计分布函数的性质可知，应力-强度两条概率密度函数曲线在一定的条件下可能发生相交，其相互重叠的区域可能出现
X Y ，因而此区域是零件可能出现失效的区域，称为干涉区。
对于机械零件，即使设计时无干涉现象，零件在长期使用过程中，尤其在动载荷的长时间作用下，强度也会衰减，引起应力超过强度，出现故障或失效。
在产品设计中，如果产品或零件的强度X小于应力Y，则它们就不能完成规定的功能，称为失效。欲使产品或零件在规定时间内可靠地工作，必须满足:
0Z X Y (1)所以产品或零件的可靠度 (0)R P Z 。一般地，可将应力、强度看做服从正态分布。当应力、强度均服
交流接触器中分磁环的可靠性分析
陈才伟1 苏秀苹2 张娜2
(1.天正集团有限公司副总裁 浙江乐清 325604; 2.河北工业大学 天津 300130)
摘 要：本文利用Maxwell 3D软件和ePhysics分析软件对交流接触器的电磁机构的稳态特性进行分析。以CJ20-25型交流接触器的电磁
机构为例，仿真分析了分磁环的最大应力，对分磁环进行了可靠性分析。关键词：交流接触器 分磁环 ANSOFT 应力 可靠性分析中图分类号:T M 6文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)11(a)-0045-02
图1 模型网格剖分结果
Fig1 The result of mesh generation
a 动静铁心、线圈的网格剖分结果
b 分磁环的网格剖分结果
图2 分磁环应力分布图
Fig2 Contour plot of stress on Shading Coil
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区域经济发展
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从正态分布时，其可靠度计算联结方程为:
)(z R (2)
22y
x
y x z
z
z (3)
式中, x 、 y 和 x 、 y 分别为 x 、 y 的均值和标准差。
蛋白质序列3 分磁环所受应力分析
基于ePhysics线性应力分析模块，得到交流接触器分磁环在4ms时所受应力如图2所示。从图中可以看出，左分磁环上部所受到的应力较大，与理论符合。
分磁环所受最大应力随时间变化如图3所示，为交变循环应力。由分析可知，分磁环所受到的最大应力为3470Pa，最小应力为312P a ，循环周期为7ms ，为不对称循环，即变应力的循环特征
312
0.093470
。因分磁环所受应力为交变循环应力，故其可靠性分析需计算其疲劳强度。应用Gerber疲劳失效准则，可近似求得循环特征为 时的相当疲劳极限 lim 及 lim S ，为疲劳强度可靠性设计提供了具有一定实用价值的近似数据。但Gerber准则没有考虑屈服强度 s 的极限线，因此，对于塑性材料，还必须判别材料是在疲劳区还是在屈服区工作。
判别条件为:
当疲劳极限 s 时，极限应力为 ，应进行疲劳强度的可靠性设计。
当疲劳极限 s 时，极限应力为 s ，应进行屈服静强度的可靠性设计。
4 分磁环可靠度的计算
ncc进行分磁环疲劳强度可靠性分析时，应力-强度干涉问题即为
相当工作应力-相当疲劳极限的干涉问题。因此，进行分析的主要问题是计算相当工作应力和相当疲劳极限。下面列出分磁环疲劳强度可靠性分析的步骤。
(1)分磁环的寿命N。
控制电器中，零件的机械寿命达到几百万次，甚至上千万次。所以对交流接触器分磁环, 610N 次，属于永久疲劳寿命。
(2)确定( F , F S )。
由上节分析可知，分磁环所受最大应力 33.4710F Pa。由于得到 F S 的数据需要进行大量计算，本文近似取
0.1
1163
F F S Pa。(3)确定相当疲劳极限。
①载荷循环系数 0.09 (见上节分析)。
②分磁环所用的材料是 2T y ，它的抗拉强度均值 220
b (MPa)，疲劳极限均值 1
65 (MPa)[42]，因为分磁环的寿命属于永久
疲劳寿命，故 1165l MPa。都市快报直播
由于缺乏零件的一些数据，此处以材料的疲劳极限进行可靠度计算。
③计算不对称循环时的疲劳极限
10.8351tg
。抗拉强度极限均值 220b MPa。
由于缺乏铜的抗拉强变异系数，本文取 0.1b V ；则抗拉强度极限标准离差 22b b b S V MPa。
由于缺乏铜的疲劳极限变异系数，本文取 10.13V ；则疲劳强度极限标准离差 11
18.45S V
MPa。
2
1
744.6b b
。
124m M P a 。
2
1
135983b
b
S b S
MP a;
43.5m M P a 。
103.54a m
tg M P a 。 36.3a m tg M P a 。
227.54m a
M P a 。由材料手册可查得，铜的屈服极限均值 70s MPa。在本设计中, s ，由判别准则可知，应进行屈服静强度的可靠性设计。
由于缺乏铜的屈服极限变异系数，本文取
0.1s V 。
标准离差 7s s s S V MPa。(4)计算联结系数z及可靠度R。
由式(3)可知，联结系数
10
z 。
由累积标准正态分布表可查得 ()1R z ，可靠度。
5 结语
本文利用Maxwell 3D软件和ePhysics分析软件对交流接触器
的电磁机构的稳态特性进行分析与仿真。以CJ20-25型交流接触器的电磁机构为例，仿真分析了分磁环的最大应力，对分磁环进行了可靠性分析。主要结论有以下几点。
(1)分磁环所受应力为交变循环应力，其最大应力为3470Pa，最小应力为312Pa，循环周期为7ms，为不对称循环，其变应力的循环特征为0.09。
(2)通过疲劳强度与静强度计算，得到疲劳强度小于静强度，由判别准则可得需进行屈服静强度的可靠性分析。
(3)对分磁环进行了屈服静强度可靠性分析，得出了分磁环的可靠度很高，近似为1。
参考文献
[1]刘国强，赵凌志，蒋继娅．Ansoft工程电磁场有限元分析[M].北
京：电子工业出版社,2005.[2]牟致忠．可靠性设计[M]．北京：机械工业出版社,1993.
[3]Wada,Masayoshi (Fuji Elec.Corp.Res.and Devmt.Ltd).Dy-namic analysis and simulation of electromagnetic contactors with AC solenoids.IECON Proceedings (Industrial Electronics Conference),2002,4:2745～2751.
图3 分磁环所受最大应力随时间变化曲线Fig3 Curve about Stress of Shading Coils-Time湖北会计学会
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