基于Ansoft的電磁激振器磁場仿真與研究

摘 要：文章針對滾動振動試驗臺的建造，擬用電磁激振器模擬試驗臺振動。利用EI型電磁激振器的I型銜鐵受吸力不同而模擬不同的運動行程。在研究電磁激振器基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用電磁場仿真軟件Ansoft得出了電磁激振器的磁力線與磁場分布，就不同氣隙大小與激勵電流大小的情況下，仿真得出激振器吸力隨氣隙及電流的變化曲線，為進(jìn)一步研究設(shè)計試驗臺用電磁激振器提供了參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：滾動振動試驗臺；電磁激振器；電磁鐵；Ansoft仿真計算

中圖分類號：TN753.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）27-0003-02

1 電磁激振器基本結(jié)構(gòu)與工作原理

振動機(jī)械中應(yīng)用的電磁式激振器，通常由帶有線圈的電磁鐵鐵芯和銜鐵組成，在鐵芯與銜鐵之間裝有彈簧。當(dāng)向線圈輸入交流電，或交流電加直流電，或半波整流后的脈動激振器電路電流時，便可產(chǎn)生周期變化的激勵力，這種激振器通常是將銜鐵直接固定于需要振動的工作部件上。本文的仿真實驗，由于源量和場量均為不隨時間變化的空間坐標(biāo)函數(shù)，所以客觀靜態(tài)電磁場的物理現(xiàn)象將呈現(xiàn)單一的電場或磁場效應(yīng)。

電磁式激振器的核心由兩部分構(gòu)成：一是螺線管，即用漆包銅線密繞在矩形鐵芯上的多匝線圈；二是EI型硅鋼片疊成的鐵芯，單繞組繞線方式如圖1所示。

根據(jù)右手螺旋定則，通電螺線管會在其內(nèi)部鐵芯中產(chǎn)生磁場，電流越大，產(chǎn)生的磁場也越大。由于線圈繞制在中間鐵芯上，中間鐵芯內(nèi)部會產(chǎn)生磁場，磁場由中部鐵芯導(dǎo)通向E型鐵芯的兩端鐵芯，此時E型鐵芯內(nèi)部形成磁流，在E型鐵芯上端覆蓋I型銜鐵，如果銜鐵與E型鐵芯距離夠小，則磁場可通過空氣氣隙進(jìn)入銜鐵，在整個激振器內(nèi)部形成完整的閉合磁路。磁場流動方向可由線圈中電流控制，電流通入方向不同則磁場流向方向不同。直流電通入線圈會使鐵芯產(chǎn)生一個偏磁力，吸引上方銜鐵。

根據(jù)電磁學(xué)基本公式：F=■

可以看出，當(dāng)選取不同截面積的鐵芯和不同材料的鐵芯會影響電磁力的大小。

2 電磁激振器結(jié)構(gòu)及計算模型

模擬試驗臺上試驗列車的振動，需要的吸力較常規(guī)激振器要大的多，由于模擬振動試驗臺空間體積的限制，其內(nèi)部可安裝的電磁激振器數(shù)量有限，因普通列車簧上重量約為10 t，綜合體積大小與吸力需求確定此吸力式電磁激振器要產(chǎn)生1 t左右的力才能滿足試驗臺需求，由電磁學(xué)基本公式確定電磁激振器結(jié)構(gòu)見表1。

其中，計算區(qū)域尺寸為整個模型外闊50 mm大小，其區(qū)域施加“氣球邊界條件”，使其磁場既不平行于也不垂直于邊界，依此將計算區(qū)域等效為一個無限空間；I型銜鐵與E型鐵芯均設(shè)為系統(tǒng)默認(rèn)材料steel_1008，線圈設(shè)為默認(rèn)copper材料，整個求解區(qū)域材料設(shè)為空氣。

根據(jù)上述理論分析和基本的尺寸數(shù)據(jù)，合理簡化實物模型并設(shè)置好各項基本參數(shù)條件后成功建立了電磁激振器的仿真模型。在Ansoft軟件中建立三維有限元模型，將整個求解區(qū)域進(jìn)行離散化，通過迭代的方法求解得到矢量磁位的數(shù)值解，得到有限元網(wǎng)格剖分，如圖2所示。

在線圈上設(shè)置截面，在截面上以面電流形式加載激勵電流，設(shè)置I型銜鐵為力與力矩研究對象，并且在整個電磁激振器的周圍建立空氣場單元。

3 磁場分析及受力計算

根據(jù)上述仿真模型進(jìn)行求解運算，得出電磁激振器的磁力線分布特征及整個激振器內(nèi)部磁場分布，如圖3所示。

EI型電磁激振器中氣隙大小的改變量即為I型銜鐵的運動行程，由于氣隙的存在，使得E型鐵芯的磁場出端出現(xiàn)漏磁，漏磁通越大，通過銜鐵的主磁通越小，銜鐵受力越小，故當(dāng)氣隙較小時，可以通以較小電流以維持力能需求，當(dāng)氣隙變大時，為了保證吸力不變，需要適當(dāng)?shù)脑黾与娏鲝?qiáng)度以維持吸力。仿真模型以電流面形式加載，即以加載1安匝的電流大小，實際中考慮電流源的供能大小與安全，可以用增加線圈匝數(shù)的方法等效的減小電流源大小，In=n×1，其中In為仿真用電流面加載電流，n，I為實際線圈匝數(shù)與電流大小。仿真模型中模擬In從1 000 A加載到17 000 A，氣隙大小從1 mm到5 mm變化，得出結(jié)果如圖4所示。

對圖4分析可見：在氣隙大小不變的情況下，隨著電流的逐漸增加，激振器吸力逐漸增大，在電流保持不變，吸力大小隨氣隙的增大而減小。當(dāng)電流從1 000 A增加到5 000 A時，不論在何種氣隙情況下，吸力大小與電流大小基本呈現(xiàn)線性增加的趨勢，氣隙越小，線性效果越顯著，當(dāng)電流超過5 000 A時，隨著電流的增加，吸力增量越來越小，因為鐵芯內(nèi)部能通過的磁通量是有限的，電流產(chǎn)生的磁場在鐵芯中聚磁，當(dāng)鐵芯內(nèi)部的磁通達(dá)到飽和時，多余的磁通就從鐵芯邊端沿空氣泄露，形成漏磁通，漏磁通的產(chǎn)生要對鐵芯主磁路產(chǎn)生一定影響，漏磁通越大影響越大，故一味的增加電流帶來的并非好的效果，所以要根據(jù)需要的氣隙行程大小合力的選擇激勵電流的大小。

圖中曲線給出了激振器吸引力與電流、氣隙大小的關(guān)系，由圖可以看出，在吸引力大小一定，以60 kN為例，當(dāng)氣隙為

1 mm時，需要電流為3 500 A左右，當(dāng)氣隙為5 mm時，需要電流11 000 A，可見氣隙對于吸力及所需電流的影響很大，即使是很微小的氣隙改變，都會較嚴(yán)重的影響吸力強(qiáng)度，若想精確改變氣隙行程，就要對電流的加載進(jìn)行精確的控制。

4 結(jié) 語

通過上述分析計算可得如下結(jié)論：

①通過Ansoft軟件對電磁激振器進(jìn)行仿真，觀察其磁力線及內(nèi)部磁場分布，得出了模型的磁力線走勢，觀察主磁路與漏磁路，符合理論分析，因此電磁激振器模型的設(shè)計是合理有效的。

②通過對電磁激振器氣隙與電流仿真得出了電磁激振器的吸力隨氣隙、電流變化的分布規(guī)律，研究和分析了模型磁路的磁飽和，為其工作電流的飽和區(qū)域提供了參考。

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