基于ANSYS 的電磁鐵仿真分析及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

劉燦輝，黃麗容

(1．廣東威靈電機(jī)制造有限公司，廣東 佛山528311;2．華南理工大學(xué) 電力工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣東 廣州510640)

0 引 言

電磁鐵是一個(gè)帶有鐵心的通電螺線管，其本身磁性的有無，可以通過通斷電流來控制;各類小型精密電磁鐵及電磁鐵應(yīng)用組件，作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器件，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備、醫(yī)療器械、包裝機(jī)械等個(gè)不同領(lǐng)域。

國內(nèi)外在電磁鐵的建模仿真方面做了大量的研究，運(yùn)用有限元方法建立電磁鐵模型，對(duì)電磁鐵內(nèi)部磁場(chǎng)分布情況以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析，建立的模型可用于電磁鐵的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。國外已經(jīng)可以利用仿真軟件和計(jì)算程序來精確計(jì)算電磁鐵的輸出特性，國內(nèi)在這方面與國外相比還存在一定差別，但也作了相當(dāng)多的研究。

本文所研究的電磁鐵主要用于小型高精密醫(yī)療器械的電磁扣合上，由于安裝尺寸的限制，需在保證電磁鐵外形尺寸不發(fā)生改變的情況下，對(duì)其內(nèi)部鐵心結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以增大其電磁吸力，確保器械使用時(shí)的安全性。

1 電磁鐵結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)

1.1 電磁鐵結(jié)構(gòu)

所研究的電磁鐵的主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該電磁鐵主要由鐵心、線圈、金屬外殼以及固定板所組成。鐵心材料采用高純度的電工純鐵DT4，鐵心外部采用塑料包膠處理，線圈與鐵心通過塑料包膠相隔開，金屬外殼采用鍍錫鐵薄板。

圖1 電磁鐵結(jié)構(gòu)圖

1.2 電磁鐵主要參數(shù)

電磁鐵的主要參數(shù)為:線圈勵(lì)磁電壓12 V，匝數(shù)約為4 750，外圍空氣的磁導(dǎo)率為1．256 ×10-6H/m，金屬外殼相對(duì)于空氣的磁導(dǎo)率為1 000，鐵心材料DT4 的B-H 性能參數(shù)及B-H 曲線如圖2所示。

圖2 DT4 的性能B-H 參數(shù)及B-H 曲線

2 電磁鐵有限元仿真分析

2.1 原電磁鐵結(jié)構(gòu)的仿真分析

根據(jù)原電磁鐵的實(shí)際結(jié)構(gòu)建立二維有限元模型如圖3，建模所采用單元為plane55 單元，為了更加真實(shí)地反映實(shí)際環(huán)境，在模型的四周均建立外圍空氣場(chǎng)以及無限場(chǎng)邊界，無限邊界采用infin9 單元，總的單元數(shù)為12 589 個(gè)，總的節(jié)點(diǎn)數(shù)為37 159個(gè)。

圖3 原電磁鐵結(jié)構(gòu)的有限元模型

對(duì)以上原電磁鐵結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行加載及邊界條件設(shè)定后，計(jì)算分析得出如圖4 所示的原電磁鐵結(jié)構(gòu)的磁力線分布圖。

把鐵心單元單獨(dú)取出來進(jìn)行研究，從圖5 鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖可以看出，在鐵心內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度方向表現(xiàn)為從鐵心下端流向上端，靠近線圈位置的磁感較密集。通過測(cè)量局部放大的鐵心上表面單元可以得出鐵心上表面的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度約為861．6 Gs。

圖4 原電磁鐵結(jié)構(gòu)的磁力線分布圖

圖5 原電磁鐵的鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖

2.2 修改電磁鐵結(jié)構(gòu)后的仿真分析

把電磁鐵的鐵心上端修改成圖6 的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)修改后所得到的二維有限元模型如圖7 所示。

圖6 鐵心上端修改結(jié)構(gòu)尺寸圖

圖7 修改結(jié)構(gòu)后的電磁鐵有限元模型

在同樣的材料及約束條件下，計(jì)算得出修改結(jié)構(gòu)后的鐵心上表面的磁力線分布如圖8 所示。

圖8 修改結(jié)構(gòu)后鐵心上表面的磁力線分布

從圖9 的修改結(jié)構(gòu)后鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖可以得出鐵心上表面的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度約為902．6。

圖9 修改結(jié)構(gòu)后鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)定在給線圈輸入12 V 電壓時(shí)電磁鐵鐵心上表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。實(shí)驗(yàn)所用到的測(cè)試儀(日本強(qiáng)力牌高斯計(jì))和電磁鐵實(shí)物如圖10 所示。

圖10 測(cè)量用高斯計(jì)和電磁鐵實(shí)物

測(cè)量時(shí)讓電磁鐵一直通電約10 min，讓線圈的溫度升高到均衡，分別多次測(cè)量原結(jié)構(gòu)和修改結(jié)構(gòu)后電磁鐵鐵心表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并記錄下相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，表1 所示。

把實(shí)測(cè)均值與有限元仿真值進(jìn)行對(duì)比，得出表2 所示的對(duì)比數(shù)據(jù)，從對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，兩個(gè)樣品的實(shí)測(cè)值與仿真值的誤差均在5% 以內(nèi)，這在工程上是可以接受的。

表1 電磁鐵實(shí)物測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 電磁鐵實(shí)物測(cè)量數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

本文利用ANSYS 有限元軟件對(duì)電磁鐵進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)修改后的電磁鐵鐵心的性能比原結(jié)構(gòu)提高約5．7%，依據(jù)優(yōu)化結(jié)果制作出對(duì)應(yīng)的電磁鐵樣品，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，證實(shí)了仿真的可行有效性。

ANSYS 有限元電磁仿真是基于設(shè)計(jì)模型的仿真，其計(jì)算結(jié)果非常接近實(shí)測(cè)值，能最大限度地縮短開發(fā)周期、減少開發(fā)成本，對(duì)工程技術(shù)人員具有很高的實(shí)用及參考價(jià)值。

［1］徐承韜，焦禹，蔡勝年，等．基于Ansoft 的交流電磁鐵吸力特性研究［J］．機(jī)床與液壓，2013，41(11):80-82．

［2］賀雅潔，黃世澤，郭其一，等．基于Ansys 的短路脫扣器電磁吸力仿真研究［J］．低壓電器，2012，(19):5-9．

［3］滿軍，丁凡，李其朋，等．永磁屏蔽式耐高壓高速開關(guān)電磁鐵［J］．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2012，46(2):309-314．

［4］吳波，廉自生，劉遠(yuǎn)波，等．基于Maxwell 的電磁鐵吸力特性研究［J］．太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，42(5):490-493．

［5］王愛龍，熊光煜．異步電機(jī)時(shí)步有限元模型在Ansys中的實(shí)施［J］．電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33(12):9-12．

［6］李俊卿，王喜梅．雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路電磁力計(jì)算［J］．電力科學(xué)與工程，2010，28(10):6-11．

［7］孫明禮．新版ANSYS10．0 電磁學(xué)有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

［8］李和明，盧偉甫，王艾萌，等．基于有限元分析的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，36(5):7-11．