MFC调用ANSYS的磁保持继电器电磁系统仿真

摘 要： 以某型号的三相磁保持继电器为研究对象，基于MFC调用ANSYS实现对三相磁保持继电器电磁系统的仿真分析。首先，在分析三相磁保持继电器的结构原理的基础上运用ANSYS软件建立三相磁保持继电器电磁系统的三维实体模型，并进行有限元划分、设置其各个参数；其次，通过输入参数的处理、修改文本形成新的命令流、VC++编写程序后台调用批处理文件并显示结果、用户图形界面设计等步骤实现MFC窗口界面直接调用ANSYS对磁保持继电器进行仿真分析；最后，对模型在不同位置、不同加载电流下的静态特性进行了仿真分析，得到转动力矩、磁链的大小及部分磁场分布情况，绘制出三相磁保持继电器的特性曲线，分析了三相磁保持继电器的结构尺寸对静态特性的影响。这种方法充分发挥了ANSYS和MFC各自的优点，为三相磁保持继电器电磁机构的分析研究创造了便利的条件。

关键词： 磁保持继电器； 电磁系统； 静态特性； ANSYS

中图分类号： TN916.424?34； N945.12 文献标识码： A 文章编号： 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，随着电子器件技术的发展，在要求高度节能的环境中，与之配合使用的继电器功耗大小尤为重要。磁保持继电器是一种新型控制电器，具有低功耗的特点。近年来，国内外专家学者深入研究磁保持继电器的特性。邵冬阳采用有限元软件ANSYS对某种磁保持继电器的电磁系统进行研究，仿真实验验证了该系统设计结构的合理性[1]。

MFC是目前较流行的应用程序可视化开发工具，具有突出的优势。为了解决命令流在电磁机构分析中所存在的问题，更好地进行人机交互体验，文献[2]和文献[3]提出利用VB及ANSYS提供的二次开发工具APDL，构建了界面友好的电磁场有限元分析模型。借助VB平台开发了方便、实用的人机交互界面，减少了对电磁场有限元分析的工作量。

1 结构原理和主要参数

磁保持继电器的功能是对电路进行接通和分断。工作原理为：采用一定方向、大小的电流脉冲驱动继电器动作，在电流脉冲消失后仍能以磁力保持激励时状态，实现自保持功能。

磁保持继电器种类繁多，本文以三相磁保持继电器为例进行阐述：三相磁保持继电器内装载永磁铁，通过改变线圈电流的方向实现永磁铁的吸合和释放，带动整个触点系统工作，图1是其在Pro/E软件中的3D模型。

三相磁保持继电器采用脉冲驱动，线圈的额定电压为12 V，材料为电工纯铁，磁钢为永磁体。

2 电磁系统三维模型的建立

有限元分析软件ANSYS是一种综合仿真软件，对电磁系统进行分析后得出的结果准确。本文将ANSYS作为研究三相磁保持继电器电磁系统静态特性的软件平台。

2.1 三相磁保持继电器电磁系统模型构建

以三相磁保持继电器电磁系统的实际规格为基础，依据电磁系统对称性的特点，在ANSYS中对电磁系统结构进行三维建模，建立电磁系统的二分之一模型。具体步骤如下：首先采用SOLID96电磁场单元进行整体建模，再用SOLID36单元对线圈建模，最后在模型周围建立空气层避免漏磁。图2为建立空气层后的三维模型。

2.2 网格划分及施加载荷

网格划分是有限元离散化的关键一步，本文中剖分单元类型选择四面体（3D），规则划分轭铁上圆孔与铁芯之间的气隙、轭铁片与铁芯之间的气隙、磁钢、磁极片以及部分轭铁；自由划分铁芯、轭铁、空气层，以保证划分后气隙处的网格较密，空气场的网格较稀疏。

对三相磁保持继电器，只需对线圈施加电流激励即可。采用SOLID36单元，通过宏RACE建立电流型的“跑道”线圈，并加力标记，将衔铁组件定义成一个组件，然后进行求解。此外还要在模型中的某节点施加约束，即Mag=0，以此避免出现病态矩阵。图3为建立线圈及施加载荷后的模型。

3 实现调用ANSYS的MFC窗口

使用ANSYS进行有限元分析时，通常有两种方法：图形用户界面GUI法和命令流法。图形用户界面GUI法虽然简单易学，但是在修改模型尺寸参数时比较繁琐，每次都需从头开始重新建模分析。命令流法可完美解决上述问题，在修改参数方面相当方便简洁，但参数化语言APDL作为ANSYS软件中用来编写命令流的工具，却也存在显著的不足之处，除了对一般用户来说短时间内不易掌握之外，还不能提供图形化界面输入，可视化效果也较差。

本文提出了一种基于MFC控件开发的ANSYS程序的调用方法。它充分发挥了ANSYS和MFC各自的优点，为磁保持继电器电磁机构的分析研究创造了便利的条件。

3.1 基本原理和设计思路

在封装后的系统中，MFC创建参数输入界面，用户进入界面按相应提示输入或修改相关参数并确定，这些赋值后的参数被传送到ANSYS的参数化程序中，VC++便会在后台自动调用ANSYS进行仿真求解，并将所得结果以文本文档的形式保存，继而反馈到操作界面里供用户读取。为了方便用户查询输入数据时可能发生的错误，系统还可以将所输入的参数以文本文档的形式展示给用户以供修改。在调用主程序时必须满足以下条件：实现前处理中相关参数输入功能；根据用户修改的相关参数生成相应的ANSYS命令流文件；通过 VC++编写的程序后台调用批处理文件，采用ANSYS软件进行仿真；将仿真所得到的结果反馈到程序中，并以文本文档的形式保存。

3.2 输入参数的处理方法

MFC是微软的基础类库，包含了许多由微软公司已经定义好的用来开发Windows应用程序的一组类，这些类可以用来表示窗口、对话框、控制框等标准的Windows部件，并封装了大部分的API函数。根据设计思路，首先要建立一个对话框，对话框本身以窗口的形式存在，是应用程序与用户交互的界面。在MFC中，对话框的功能封装在Cdialog类中，在窗口背后，真正与用户进行交互的是对话框上的控件。

所以要实现参数值的输入与传递，就要建立静态文本控件、编辑框控件和按钮控件。其中静态文本控件只能用于显示字符串，不用接收用户的输入信息，可以起到提示的作用。编辑框控件则可以进行数值或文本的输入。

每个静态文本控件都有一个编辑框控件和其对应，比如要输入外柱直径，就需建立一个写有“外柱直径”的静态文本控件，以及一个与其相对应的编辑框控件，用来定义其对应的成员变量，即外径直径的数值。每个控件都有一个ID作为识别该资源的依据，MFC就是通过ID来访问这些资源的。在本文中，将外柱直径的ID设置为IDC_EDIT1，另外再建立其对应的成员变量m_ TXZW，除此之外，还要添加代码实现控件与成员变量的关联关系：DDX_Text（pDX，IDC_EDIT1，m_TXZW）。

当数据成员变量与其对应的控件发生数据交换时，需要调用UpdateData函数。UpdateData函数决定了数据的传递方向。将相关参数定义为TRUE或缺省时，数据就被传送到相应的数据成员变量中；将参数定义为FALSE时，数据传送到对应的控件并显示出来。

3.3 修改文本形成新的命令流

由于该三相磁保持继电器的模型中含有多个非固定值的几何参数，这些数值可能会随着几何模型的不同而改变，而设置参数后面的程序一般是相同的。因而在APDL命令流中只需要这些参数对应的数据发生改变，其余的不变。

在工程文件夹里新建JDQ.txt文件，并在其中保存一个完整的磁保持继电器在某些特定参数下的APDL命令流，然后通过MFC界面参数输入框改写参数值，并将新的数值传递到JDQ.txt文件并改写其中相对应的数据，才能形成一个新的APDL命令流，以上都通过C++语言来实现。

3.4 调用文件并显示结果

根据ANSYS的帮助文件，本文通过调用带输入输出文件参数的命令流来实现MFC对ANSYS的间接调用。关键的步骤可以分为两步，第一步MFC调用批处理文件ansys.dat，第二步是ansys.dat会后台调用ANSYS软件进行仿真计算并将计算结果保存在Result.txt文件中，这种方法简单高效，避免了使用软件接口。

3.5 用户图形界面设计

本文中设计的用MFC编写的对话框如图4所示。它不仅能让不熟悉ANSYS的用户完成对该型号的三相磁保持继电器的有限元仿真，而且其可视化界面可方便地对数据结果进行查看和记录。在使用时，只需要通过输入框里输入数值来改变对应变量的值。点击“生成txt文件”按钮，就可以生成命令流文件。然后点击“调用ANSYS”按钮，就可以后台调用ANSYS软件进行仿真计算。再点击“计算结果”按钮，就可以将计算结果展示出来，得到想要的结果。最后的“退出”按钮，可以帮助用户退出界面。

4 静态特性的仿真结果及分析

衔铁组件旋转的角度范围是-5.2°～5.2°，本文对模型在不同位置、不同加载电流下的静态电磁吸力进行仿真，并计算静态电磁力矩、磁链的数值，结果如图5、图6所示。

三相磁保持继电器的磁路中嵌入永磁铁，它和线圈电流激励的磁势结合作用于磁路。由图5可知，永磁铁决定了同一旋转角度下，力矩的大小关于I=0轴呈现不对称、关于点（I，Mx）=（0，0）呈现中心对称的特点。由图6可知，同一旋转角度下磁链的大小关于点（I，Ψ）=（0， 0）呈中心对称。选取其中当线圈电流为0 A，旋转角度为5.2°时的模型，其强度矢量图如图7所示。

由图7可知，多数磁通经过工作气隙δ、轭铁、线圈时，嵌入三相磁保持继电器中的距轭铁较近的磁极片和永磁铁构成了主磁路，少数磁存在于离轭铁较远的磁极片里。

5 结 论

本文以有限元分析法为基础，对三相磁保持继电器的电磁系统进行三维建模，采用MFC绘制用户界面，实现对ANSYS软件的后台调用，最后对其静态特性进行仿真，仿真实验结果证明，该方法成本较低，同时又缩短了研制和开发周期，为三相磁保持继电器电磁机构的分析研究创造了便利的条件。

参考文献

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