基于Ansoft Maxwell的電磁選針器瞬態(tài)特性分析

李 紅，袁嫣紅，項(xiàng)宏年

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018)

基于Ansoft Maxwell的電磁選針器瞬態(tài)特性分析

李 紅，袁嫣紅，項(xiàng)宏年

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018)

針對(duì)電磁選針器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立其瞬態(tài)場(chǎng)仿真模型，通過Ansoft Maxwell 3D瞬態(tài)仿真，分析線圈瞬態(tài)電流特性和選針刀頭擺動(dòng)規(guī)律之間的關(guān)系，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。在驗(yàn)證仿真模型的基礎(chǔ)上，探究了驅(qū)動(dòng)電壓、線圈匝數(shù)、永磁體材料和鐵芯尺寸等主要參數(shù)對(duì)其選針性能的影響，結(jié)果表明：通過增大驅(qū)動(dòng)電壓或采用磁性較強(qiáng)的永磁體可提高響應(yīng)速度與轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；通過增大線圈匝數(shù)或面積一定時(shí)采用較窄的鐵芯也可增大轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，但會(huì)降低響應(yīng)速度。

電磁選針器；Ansoft Maxwell仿真；瞬態(tài)電流；轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；響應(yīng)速度

0 引 言

圓形緯編機(jī)(簡(jiǎn)稱圓緯機(jī))是針織裝備中應(yīng)用最普遍的設(shè)備之一，具有性能可靠、用途廣泛、產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)。選針器是圓緯機(jī)控制系統(tǒng)中用來實(shí)施選針控制的執(zhí)行元件，因此其選針性能直接影響圓緯機(jī)的編織速度、提花質(zhì)量和選針可靠性。選針器正常工作時(shí)接收控制器發(fā)送來的電壓信號(hào)，通過鐵芯與永磁體間的相互作用推動(dòng)選針刀頭上下擺動(dòng)。選針器的響應(yīng)速度直接影響圓緯機(jī)能否快速可靠地選針，同時(shí)每個(gè)選針器的能耗影響到整臺(tái)圓緯機(jī)的能耗[1]。因此，為了提高選針器的響應(yīng)速度和降低功耗，需要研究其瞬態(tài)特性。

目前國(guó)內(nèi)常用驅(qū)動(dòng)選針器的方式主要有電磁式和壓電陶瓷式兩種。前者是通過給勵(lì)磁線圈通入某一方向的電流，將鐵芯工作端磁化為相應(yīng)的極性，該工作端與永磁體間產(chǎn)生吸力和斥力，推動(dòng)選針刀頭繞旋轉(zhuǎn)軸上下擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)選針，性能可靠穩(wěn)定。后者是通過控制器發(fā)送電壓信號(hào)，作用于壓電陶瓷片，使壓電材料產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，最后根據(jù)壓電陶瓷片彎曲到預(yù)先記憶的形狀進(jìn)行選針[2]。近年來，眾多科研人員分析了電磁選針器的工作原理，計(jì)算出其關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)[3]；居偉駿等[4]采用有限元法研究了選針器的靜態(tài)電磁力，并分析了選針刀頭處于不同位置時(shí)電磁力的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[5-7]通過分析電磁鐵的吸合過程，探究了電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性并計(jì)算出它的吸合時(shí)間。以上研究主要對(duì)電磁選針器的靜態(tài)特性進(jìn)行了分析，有關(guān)瞬態(tài)分析主要對(duì)電磁鐵進(jìn)行仿真研究，但電磁鐵結(jié)構(gòu)與本文不同。

本文以用于圓緯機(jī)的電磁選針器為研究對(duì)象，從理論上分析了鐵芯和永磁體間的相互作用關(guān)系，以Ansoft Maxwell為平臺(tái)，結(jié)合選針器的實(shí)際工作情況，在三維瞬態(tài)磁場(chǎng)中對(duì)其瞬態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)探究了選針器關(guān)鍵參數(shù)對(duì)其選針性能的影響。

1 選針器結(jié)構(gòu)及工作原理

圓緯機(jī)用電磁選針器主要由選針刀頭、選針刀頭固定塊、永磁體夾塊、旋轉(zhuǎn)軸、兩個(gè)永磁體、鐵芯、線圈、塑料架和外殼組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，電磁選針器剖面如圖2所示。左右兩個(gè)永磁體由永磁體夾塊固定且二者充磁方向相反，如圖2(b)所示。右側(cè)永磁體N極在下、S極在上，而左側(cè)永磁體極性與之相反，即S極在下、N極在上。

1.鐵芯固定部分；2.外殼一；3.骨架；4.右側(cè)永磁體；5.左側(cè)永磁體；6.旋轉(zhuǎn)軸；7.極限擋板；8.選針刀頭；9.選針刀頭固定塊；10.永磁體夾塊；11.鐵芯有效部分(纏繞線圈部分，文中統(tǒng)稱鐵芯)；12.線圈；13.外殼二圖1 電磁選針器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電磁選針器剖面圖

選針器正常工作時(shí)始終處于通電狀態(tài)，通過切換電壓方向，使選針刀頭從一側(cè)極限位置擺動(dòng)到另一側(cè)極限位置來進(jìn)行選針。在進(jìn)行瞬態(tài)仿真時(shí)，所加激勵(lì)源為正向電壓，將其初始狀態(tài)設(shè)置為相反方向，這樣就實(shí)現(xiàn)了在一側(cè)極限位置時(shí)電壓方向的切換，初始狀態(tài)如圖2(a)所示。永磁體和鐵芯間氣隙是選針器主要的工作氣隙，該處磁場(chǎng)主要由永磁場(chǎng)和線圈磁場(chǎng)共同組成，在氣隙磁場(chǎng)力作用下選針刀頭繞旋轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)，控制其外部相應(yīng)的提花片是否壓入針槽，從而控制織針是否進(jìn)入三角，實(shí)現(xiàn)提花。給線圈通入某一方向的電流，將鐵芯工作端磁化為S極，使該鐵芯端與右側(cè)永磁體相互吸引，而與左側(cè)永磁體相互排斥，在二者合力作用下使永磁體推動(dòng)選針刀頭繞旋轉(zhuǎn)軸順時(shí)針擺動(dòng)，擺動(dòng)一定角度后在極限擋板阻力作用下停止。選針刀頭在極限位置保持一段時(shí)間后，當(dāng)線圈中電流方向發(fā)生變化時(shí)，會(huì)使選針刀頭所受電磁力的方向發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)反向擺動(dòng)。當(dāng)電流方向完全改變并增大到一定值時(shí)，選針刀頭將逆時(shí)針擺動(dòng)，如圖2(c)所示，最終停止在該側(cè)極限擋板處。

2 建模仿真與實(shí)驗(yàn)

2.1 理論基礎(chǔ)

2.1.1 選針器瞬態(tài)模型的建立

將繞在鐵芯上的線圈理想化為一個(gè)電感線圈，由電磁感應(yīng)定律知電磁鐵的電路方程[8]為：

(1)

其中：μ為線圈的輸入電壓；r為線圈電阻；i為線圈電流；φ為磁鏈，包括永磁體磁通和線圈磁通。根據(jù)該電路方程，在瞬態(tài)仿真中可以對(duì)線圈的輸入電壓和初始電流進(jìn)行合理設(shè)置。

2.1.2 磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)

瞬態(tài)磁場(chǎng)中可以求解激勵(lì)源為非正弦情況的電壓源或電流源，還可以求解模型中存在運(yùn)動(dòng)部件的情況。矢量磁位A在瞬態(tài)磁場(chǎng)求解器中的磁場(chǎng)方程如下：

其中：▽表示梯度算子；v是物體的運(yùn)動(dòng)速度；A是矢量磁位；Js是源電流密度；σ是電導(dǎo)率；Hc是永磁體的矯頑力。采用Ansoft Maxwell進(jìn)行瞬態(tài)仿真時(shí)讓模型某一部分速度為零，可通過使用參考框架將其固定來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)該參考框架運(yùn)動(dòng)物體固定在自己的坐標(biāo)系，其運(yùn)動(dòng)方程為：

(3)

因此，在每一時(shí)間段有限元模型中每一點(diǎn)的矢量磁位都可獲得[9]。

2.1.3 動(dòng)力學(xué)方程

永磁體的運(yùn)動(dòng)形式為擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程為：

M-Mf=Jα

(4)

其中：M為永磁體的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；Mf為選針刀頭與旋轉(zhuǎn)軸間的摩擦力矩；J為永磁體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；α為永磁體的角加速度。該運(yùn)動(dòng)方程為瞬態(tài)仿真中負(fù)載力矩的設(shè)置提供了理論基礎(chǔ)。

通過聯(lián)立式(1)-(4)，可以建立選針器的瞬態(tài)場(chǎng)仿真模型。該模型在考慮材料非線性特性的基礎(chǔ)上，利用三維有限元仿真的方法進(jìn)行分析求解，從而獲得其瞬態(tài)特性。

2.2 幾何建模

為了能夠準(zhǔn)確分析電磁選針器的實(shí)際工作性能，本文考慮到其磁路的特殊性，結(jié)合Ansoft Maxwell軟件特點(diǎn)，模型建立時(shí)省略了選針刀頭、選針刀頭固定塊、永磁體夾塊和旋轉(zhuǎn)軸。這樣一方面可以簡(jiǎn)化分析過程，另一方面這部分結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)選針器整體磁場(chǎng)產(chǎn)生太大影響。另外，選針器正常工作時(shí)，選針刀頭在永磁體組件(永磁體和永磁體夾塊)作用下繞旋轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)，選針刀頭所受的力與永磁體組件所受力成正比關(guān)系，而永磁體組件是在永磁體的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)的[4]，因此模型中可通過直接分析永磁體的運(yùn)動(dòng)特性來近似分析選針刀頭的瞬態(tài)特性。

瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真時(shí)運(yùn)動(dòng)物體機(jī)械屬性的設(shè)置基本上都是在Band區(qū)域進(jìn)行的，Band區(qū)域?yàn)樗矐B(tài)場(chǎng)特有，用于將運(yùn)動(dòng)物體和靜止物體分開，并且二者均不能穿過Band，即幾何模型不能與Band交叉。本文中Band區(qū)域內(nèi)只能是運(yùn)動(dòng)部件永磁體，二者不接觸。永磁體的運(yùn)動(dòng)方式設(shè)置為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，取所建模型中兩個(gè)永磁體的位置為初始位置0°，繞旋轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針擺動(dòng)方向?yàn)檎?，擺動(dòng)范圍為0°～13°，該處終止值大于初始值；質(zhì)量慣性矩是反映剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性的量度，仿真中采用永磁體質(zhì)量與永磁體中心到旋轉(zhuǎn)軸距離平方的乘積，這也表明在模型建立時(shí)盡管省略了旋轉(zhuǎn)軸，但參數(shù)設(shè)置時(shí)仍考慮了旋轉(zhuǎn)軸的影響；在仿真分析中選針器實(shí)際上沒有外界負(fù)載，選針刀頭固定塊與旋轉(zhuǎn)軸間的摩擦力矩相當(dāng)于負(fù)載力矩，又因?yàn)檫x針刀頭在沒擺動(dòng)前主要受靜摩擦力影響，擺動(dòng)后主要受動(dòng)摩擦力影響，所以負(fù)載力矩采用分段函數(shù)sgn(sPosition)的形式來設(shè)置，以表示靜摩擦力和動(dòng)摩擦力對(duì)其的影響。網(wǎng)格剖分的好壞直接影響仿真時(shí)間和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，由于該模型尺寸規(guī)整，所以采用手工剖分，手工剖分根據(jù)兩個(gè)原則：首先運(yùn)動(dòng)域的永磁體要稍微加密，其次是整體網(wǎng)格和計(jì)算速度須要在所使用計(jì)算機(jī)能力范圍內(nèi)[9]。

2.3 瞬態(tài)仿真

本文以實(shí)驗(yàn)室中的電磁選針器為研究對(duì)象。永磁體材料選用釹鐵硼，牌號(hào)為N48H；鐵芯、鐵芯固定部分和外殼材料均選用電工純鐵，牌號(hào)為DT4；線圈材料為銅。在Ansoft Maxwell瞬態(tài)磁場(chǎng)中對(duì)選針器進(jìn)行仿真分析，仿真電流與位移瞬態(tài)特性曲線如圖3所示，與之對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線如圖4所示。

圖3 15 V電壓下電流與位移瞬態(tài)特性曲線

由圖3可知，給線圈加載15 V驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，電流曲線呈現(xiàn)先增大后減小再增大，最后保持穩(wěn)定的變化過程，且穩(wěn)定值大于上升過程中的最大值，電流曲線下降至最低點(diǎn)時(shí)的時(shí)間為7.2 ms，而后上升到穩(wěn)定值0.019 A的時(shí)間約為8.8 ms；位移曲線在初始時(shí)有0.5 ms的延時(shí)，之后選針刀頭快速擺動(dòng)6.7 ms至極限位置，此時(shí)的時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間)與電流曲線下降過程中最低點(diǎn)位置時(shí)間基本相似。這是由于初始時(shí)段內(nèi)選針刀頭靜止或慢速擺動(dòng)時(shí)，線圈電感基本不變，線圈電流呈現(xiàn)一階慣性環(huán)節(jié)的變化規(guī)律[7]；而后選針刀頭擺動(dòng)速度增大，線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也隨之增大，導(dǎo)致電流曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；選針刀頭擺動(dòng)到極限位置時(shí)，速度減為0，線圈電感基本不變，電流值的變化規(guī)律又和開始段的一樣，近似以一階慣性環(huán)節(jié)增大至穩(wěn)定值后保持不變。

2.4 實(shí)驗(yàn)研究及仿真對(duì)比

選針器瞬態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)主要包括被測(cè)電磁選針器、微位移調(diào)整平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)電路、穩(wěn)壓電源、激光位移傳感器和功率分析儀等。被測(cè)選針器和激光位移傳感器固定在微位移調(diào)整平臺(tái)上，并調(diào)整選針刀頭位置，使之處在激光位移傳感器的有效測(cè)量范圍內(nèi)；穩(wěn)壓電源的輸出連接被測(cè)選針器和控制電路。通過控制電路加載直流電壓時(shí)，選針器的瞬態(tài)電流曲線輸出到功率分析儀的電流接口，而選針刀頭的位移曲線傳輸?shù)焦β史治鰞x的位移接口，電壓波形通過驅(qū)動(dòng)電路傳輸?shù)焦β史治鰞x的電壓接口，以此方法還可以獲得加載不同驅(qū)動(dòng)電壓下的瞬態(tài)電流及選針刀頭擺動(dòng)特性曲線。

15 V驅(qū)動(dòng)電壓下，選針器瞬態(tài)電流及選針刀頭擺動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，其中，曲線1為電流變化曲線，曲線2為位移變化曲線，曲線3為信號(hào)曲線。對(duì)比圖3和圖4可知，位移和電流瞬態(tài)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，可證仿真模型和過程合理，電流特性呈現(xiàn)先增大后減小再增大最后保持穩(wěn)定的變化過程，電流曲線下降過程中最低點(diǎn)位置的時(shí)間和選針刀頭的響應(yīng)時(shí)間基本相近(加載15 V電壓時(shí)約為7.7 ms)。選針刀頭擺動(dòng)到極限位置時(shí)位移實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在些許差異，實(shí)驗(yàn)位移曲線在極限位置處有彈性回跳現(xiàn)象。選針器實(shí)際工作時(shí)，當(dāng)選針刀頭擺動(dòng)到極限位置，受極限擋板的阻礙作用而產(chǎn)生彈性回跳現(xiàn)象。而在仿真中選針刀頭的擺動(dòng)范圍經(jīng)人為設(shè)置后，當(dāng)擺動(dòng)到該處就會(huì)停止，所以無反彈現(xiàn)象。因此在極限位置處實(shí)驗(yàn)位移曲線與仿真位移曲線相比存在差別，是由于選針刀頭擺動(dòng)到極限位置時(shí)的邊界條件設(shè)置所引起的。

圖4 15 V電壓下瞬態(tài)電流與位移特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明瞬態(tài)仿真正確，根據(jù)仿真計(jì)算獲得的選針器瞬態(tài)特性，可以分析驅(qū)動(dòng)電壓、線圈匝數(shù)、永磁體材料與鐵芯形狀等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)其選針性能的影響。

3 選針器關(guān)鍵參數(shù)仿真分析

選針器的工作性能主要從選針刀頭的響應(yīng)時(shí)間和繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩這兩方面來衡量，下面就選針器關(guān)鍵參數(shù)對(duì)其選針性能的影響進(jìn)行仿真分析。

3.1 驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)選針性能的影響

不同驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，電流瞬態(tài)特性曲線如圖5所示，位移瞬態(tài)特性曲線如圖6所示，力矩瞬態(tài)特性曲線如圖7所示，電磁力與位移的關(guān)系曲線如圖8所示。

圖5 不同電壓時(shí)電流瞬態(tài)特性曲線

圖6 不同電壓時(shí)位移瞬態(tài)特性曲線

圖7 不同電壓時(shí)力矩瞬態(tài)特性曲線

圖8 不同電壓時(shí)電磁力與位移的關(guān)系曲線

由圖5可知，電流初始值為負(fù)，然后從負(fù)值逐漸增加至0最后變?yōu)檎螂娏鳌ｒ?qū)動(dòng)電壓越高，正向電流上升速度越快，凹點(diǎn)出現(xiàn)的越早，表明響應(yīng)時(shí)間越短且瞬時(shí)電流較大。由圖6可知，驅(qū)動(dòng)電壓越高，位移曲線上升的速度越快，到達(dá)設(shè)定極限位置(13°)的時(shí)間越早，即響應(yīng)時(shí)間越短，這也和圖5的結(jié)論一致。

由圖7可知，驅(qū)動(dòng)電壓越大，初始時(shí)的正向力矩和最終穩(wěn)定后的力矩越大。但驅(qū)動(dòng)電壓不易太大，這樣會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定后的力矩增大，從而增大選針刀頭反向擺動(dòng)的時(shí)間，另外，還會(huì)造成不必要的電能浪費(fèi)。因此，在滿足生產(chǎn)要求的前提下，驅(qū)動(dòng)電壓的選取要綜合考慮對(duì)擺動(dòng)到位和反向擺動(dòng)這兩個(gè)階段時(shí)間的影響。

由圖8可知，電磁力先快速增大到最大值然后逐漸減小，在極限位置有稍微增大趨勢(shì)，最后保持不變。電磁力的最大值出現(xiàn)在初始位置與中間位置之間，但靠近初始位置，這是因?yàn)榫€圈電流不能立即達(dá)到最大值，所以選針刀頭先擺動(dòng)片刻待電流增大到一定值時(shí)電磁力達(dá)到最大。選針刀頭擺動(dòng)到極限位置時(shí)，電流還未達(dá)到最大值仍在繼續(xù)增加，所以電磁力也有稍稍增加的趨勢(shì)。

3.2 線圈匝數(shù)對(duì)選針性能的影響

不同線圈匝數(shù)時(shí)，電流瞬態(tài)特性曲線如圖9所示，力矩瞬態(tài)特性曲線如圖10所示。

圖9 不同線圈匝數(shù)時(shí)電流瞬態(tài)特性曲線

圖10 不同線圈匝數(shù)時(shí)力矩瞬態(tài)特性曲線

由圖9可知，線圈匝數(shù)越多，初始電流上升速度越慢，凹點(diǎn)出現(xiàn)的稍晚且瞬時(shí)電流較小，說明選針刀頭的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。這是因?yàn)榫€圈電感與線圈匝數(shù)的平方成正比[7]，匝數(shù)越多，電感越大，電路時(shí)間常數(shù)隨著電感的增大而增大，故初始電流上升慢。

由圖10可知，初始時(shí)的正向力矩隨著線圈匝數(shù)的增大而減小，但穩(wěn)定后的力矩隨著線圈匝數(shù)的增大而增大。因?yàn)槌跏紩r(shí)電流增加速度較慢導(dǎo)致力矩較??；每匝線圈都有磁通量的變化，都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以匝數(shù)越多電流越強(qiáng)，因此，隨著線圈匝數(shù)的增大穩(wěn)定后的力矩也變大。因此，從提高電磁力角度考慮，應(yīng)盡可能的增大線圈繞組有限空間的纏繞密度，以增大線圈匝數(shù)。

3.3 永磁體材料對(duì)選針性能的影響

不同永磁體材料時(shí)，電流瞬態(tài)特性曲線如圖11所示，力矩瞬態(tài)特性曲線如圖12所示。

圖11 不同永磁體材料時(shí)電流瞬態(tài)特性曲線

圖12 不同永磁體材料時(shí)力矩瞬態(tài)特性曲線

選用N28EH、N38SH、N48H這三種等級(jí)的永磁體材料進(jìn)行仿真對(duì)比，三種材料的剩磁和矯頑力分別為：1.05 T、780 kA/m；1.23 T、923 kA/m；1.37 T、1069 kA/m。由圖11可知，剩磁和矯頑力較大的永磁體，電流曲線下降部分最低點(diǎn)位置出現(xiàn)的越早，表明選針刀頭的響應(yīng)時(shí)間越短且瞬時(shí)電流越??；由圖12可知，初始力矩和穩(wěn)定后的力矩均隨著永磁體剩磁和矯頑力的增大而增大，因?yàn)闀?huì)使氣隙處的磁通密度變大，這增大了推動(dòng)選針刀頭繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，從而提高了響應(yīng)速度。因此，不管是提高響應(yīng)速度還是增大力矩，都應(yīng)盡量選用剩磁和矯頑力均較大的永磁體。

3.4 鐵芯截面尺寸對(duì)選針性能的影響

保證鐵芯截面積不變，改變鐵芯沿選針刀頭擺動(dòng)方向的長(zhǎng)度，電流瞬態(tài)特性曲線如圖13所示，力矩瞬態(tài)特性曲線如圖14所示，其中圖例中的數(shù)字分別表示鐵芯沿選針刀頭擺動(dòng)方向的尺寸(下文統(tǒng)稱鐵芯的橫向長(zhǎng)度)與垂直于該方向的尺寸。

圖13 不同鐵芯形狀時(shí)的電流瞬態(tài)特性曲線

圖14 不同鐵芯形狀時(shí)的力矩瞬態(tài)特性曲線

由圖13可知，鐵芯橫向長(zhǎng)度不同時(shí)，線圈初始電流上升速度基本一樣，但鐵芯的橫向長(zhǎng)度越窄，電流曲線下降部分最低點(diǎn)位置出現(xiàn)的越晚，表明選針刀頭的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)且瞬時(shí)電流越小。

由圖14可知，鐵芯的橫向長(zhǎng)度越窄，初始時(shí)力矩曲線上升速度越慢，力矩值較小，但穩(wěn)定后的力矩值較大，這是因?yàn)闄M向長(zhǎng)度較窄的鐵芯能夠使永磁體對(duì)其的吸引力更多的向正中間位置傾斜，實(shí)際上增大了這個(gè)力的水平分量[7]，也提高了該力對(duì)永磁體組件的推動(dòng)作用，所以穩(wěn)定后的力矩較大。因此，從增大力矩方面考慮，鐵芯截面積一定時(shí)可適當(dāng)選用橫向長(zhǎng)度較窄的鐵芯。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的電磁選針器，建立其瞬態(tài)場(chǎng)仿真模型，通過仿真獲得線圈瞬態(tài)電流及選針刀頭的擺動(dòng)特性，并搭建測(cè)試平臺(tái)對(duì)其瞬態(tài)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，證明了仿真模型的合理性。

通過瞬態(tài)仿真探究了驅(qū)動(dòng)電壓、線圈匝數(shù)、永磁體材料和鐵芯形狀等主要參數(shù)對(duì)選針器工作性能的影響，研究結(jié)果表明：a)提高驅(qū)動(dòng)電壓或選用剩磁和矯頑力較大的永磁體均可提高響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；b)增大線圈匝數(shù)或截面積一定時(shí)選用橫向長(zhǎng)度較窄的鐵芯均可增大轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，但會(huì)降低響應(yīng)速度。

通過研究選針器關(guān)鍵參數(shù)對(duì)其選針性能的影響，對(duì)于選針器的設(shè)計(jì)制造和實(shí)際應(yīng)用都具有一定的參考價(jià)值，也為后續(xù)優(yōu)化其工作性能提供技術(shù)參考。

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(責(zé)任編輯： 康 鋒)

Analysis of Transient Characteristics of Electromagnetic Needle Selector Based on Ansoft Maxwell

LIHong,YUANYanhong,XIANGHongnian

(School of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

According to the mechanical structure of the electromagnetic needle selector, the simulation model of the transient field is established. the relationship between the transient current characteristics of the coil and the swinging rule of the needle selecting blade is analyzed through transient simulation with Ansoft Maxwell 3D. Comparative validation is carried out with the experimental result. On the basis of the validation of the simulation model, the effects of main parameters (the drive voltage, coil turns, permanent magnet material and iron core size) on the performance of needle selection are explored. Results show that the response speed and the rotation torque can be improved by increasing the drive voltage or using the permanent magnet with strong magnetism; the rotation torque can be increased by increasing the number of turns of the coil or adopting narrow iron core when the area is certain, but the response speed will be reduced.

electromagnetic needle selector; Ansoft Maxwell simulation; transient current; rotational torque; response speed

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.01.015

2016-10-17

日期：2017-01-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAF6B03)；浙江省公益技術(shù)研究項(xiàng)目(2016C34008)

李 紅，(1989-)，女，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事紡機(jī)設(shè)計(jì)方面的研究。

袁嫣紅，E-mail: yyh@zstu.edu.cn

TM553

A

1673- 3851 (2017) 01- 0092- 07