淺談基于Ansys Maxwell分析的軌道磁力固定裝置

潘奇，周昊民，李徽，丁巖，石勇

（1.湖南科美達(dá)電氣股份有限公司，湖南 岳陽 414000；2.湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006）

20世紀(jì)80年代，高性能稀土永磁材料的迅速發(fā)展，極大地促進(jìn)永磁設(shè)備的發(fā)展。特別是20世紀(jì)90年代以后稀土永磁材料之王釹鐵硼的價(jià)格逐漸降低，永磁設(shè)備得到了大力的推廣及應(yīng)用。永磁材料由于在工作過程中不需要施加電流就能通過自身的剩磁產(chǎn)生強(qiáng)大的磁力，因此永磁設(shè)備相比于電磁設(shè)備最為明顯的優(yōu)勢就是自重輕并且節(jié)能?；谟来挪牧线@一特點(diǎn)，各種永磁設(shè)備被廣泛地應(yīng)用在人們的生產(chǎn)生活中，比如，永磁起重器、永磁夾具、永磁電機(jī)和機(jī)床快速換模裝置等等。本文介紹了一種基于Maxwell分析的軌道磁力固定裝置，用于解決軌道檢測小車在行駛的過程中，因?yàn)橹匦倪^高，易發(fā)生側(cè)翻的問題。軌道檢測小車是一種在軌道上邊行駛邊檢查線路安全狀況的移動(dòng)工具，目前，所使用的軌道檢測小車在軌道上行駛時(shí)，存在著重心偏高、自重較輕、重心不穩(wěn)等問題，容易誘發(fā)比較嚴(yán)重傾斜，甚至可能導(dǎo)致小車側(cè)翻事故，存在較大的安全隱患，然而，采用笨重復(fù)雜的機(jī)械固定方式又會(huì)使得小車自重大幅度增加，使其在搬運(yùn)、安裝和拆卸過程中更加困難。本文講述了一種軌道磁力固定裝置，能夠在略微增加小車重量的同時(shí)通過磁力將小車?yán)卫挝皆谲壍郎鲜蛊淦椒€(wěn)行駛，也能通過簡單的去磁操作將小車輕松搬離軌道。

1 軌道磁力固定裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 軌道磁力固定裝置的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，軌道磁力固定裝置的主要結(jié)構(gòu)包括頂板、磁鋼組合件、非磁連接件、非磁擋板、磁軸、磁極、輥輪、轉(zhuǎn)動(dòng)把手、限位塊。頂板、磁軸、磁極為導(dǎo)磁材料采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，三組磁鋼為磁源采用釹鐵硼N40，其余材料無需導(dǎo)磁一般采用不銹鋼304。軌道磁力固定裝置通過頂板的螺絲孔與軌道檢測小車相連接，在裝置的左右兩端都鉸接一個(gè)輥輪，通過兩個(gè)輥輪與軌道相接觸，輥輪能夠在軌道上進(jìn)行滾動(dòng)，因此，在軌道小車運(yùn)行時(shí)能夠跟隨著軌道小車一起運(yùn)行，輥輪面高于磁極面，能夠避免磁極與軌道相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦而發(fā)熱磨損。軌道磁力固定裝置內(nèi)部裝有三組磁鋼，固定磁鋼以轉(zhuǎn)動(dòng)磁鋼回轉(zhuǎn)中心線所在垂直面左石對(duì)稱布置，其中磁軸中的轉(zhuǎn)動(dòng)磁鋼可以通過扳動(dòng)把手進(jìn)行0°～155°的旋轉(zhuǎn)。限位塊可以將把手限制在OFF和ON位置，避免受磁場產(chǎn)生的力矩轉(zhuǎn)動(dòng)到其他狀態(tài)。

圖1 軌道磁力固定裝置的結(jié)構(gòu)組成

1.2 軌道磁力固定裝置的工作原理

軌道磁力固定裝置有兩種狀態(tài)：放料狀態(tài)和吸料狀態(tài)，兩種狀態(tài)之間通過轉(zhuǎn)動(dòng)把手實(shí)現(xiàn)切換。放料狀態(tài)時(shí)，把手處于OFF位置，圖2所示磁鋼組產(chǎn)生的磁場在裝置內(nèi)部形成閉合回路，裝置對(duì)外不顯磁；將把手旋轉(zhuǎn)155°到達(dá)ON位置后，裝置進(jìn)入吸料狀態(tài)圖3，磁軸中的轉(zhuǎn)動(dòng)磁鋼因極性方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)其磁場與另外兩組固定磁鋼的磁場進(jìn)行疊加，通過磁極導(dǎo)出傳遞到軌道上，從而使裝置吸附在軌道上。

圖2 放料狀態(tài)OFF

圖3 吸料狀態(tài)ON

2 軌道磁力固定裝置磁場的數(shù)學(xué)模型

在設(shè)計(jì)磁性裝置時(shí)，我們通常會(huì)先采用磁路計(jì)算法，對(duì)裝置內(nèi)部的磁通量和工作氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行簡單的計(jì)算和定量分析。通過對(duì)裝置各部位磁通量的計(jì)算，我們可以判斷出各部分磁感應(yīng)強(qiáng)度是否飽和，裝置表面是否有漏磁影響使用；通過對(duì)工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算，我們可以得到被吸物磁力的大小，從而判斷設(shè)計(jì)是否基本達(dá)到要求。

放料狀態(tài)下，裝置內(nèi)部磁路為閉合回路，磁路中氣隙極小，磁鋼工作點(diǎn)幾乎處在剩磁Br處，磁鋼內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度可認(rèn)為是1.25T。三組磁鋼磁場通過的截面積相同，故磁通量相同，磁鋼無漏磁。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般為1.8T，對(duì)于頂板、磁軸和磁極而言，其內(nèi)部的磁通量與磁鋼內(nèi)部的磁通量近似相等，設(shè)計(jì)時(shí)，只需考慮三者內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度不超過1.8T，即可確保不產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象。

吸料狀態(tài)下，若不考慮空氣漏磁，裝置和軌道形成的磁路簡圖如圖4所示。

圖4 吸料狀態(tài)磁路簡圖

利用磁路基爾霍夫第一、第二定律得方程式組：

式中，Φ1、Φ2、Φ3為磁通量；Em1、Em2為磁動(dòng)勢，Rm1為頂板磁阻；Rm2為磁軸與磁極之間氣隙磁阻；Rm3為磁極磁阻；Rm4為磁極與軌道之間氣隙磁阻；Rm5為軌道磁阻。

通過方程式組我們求解出Φ3，再利用

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率；S磁極為磁場通過磁極底部的面積?？汕蟮醚b置對(duì)軌道的磁力。

然而，這種理想環(huán)境下求解出的數(shù)據(jù)并不能完全作為工程設(shè)計(jì)依據(jù)，其計(jì)算結(jié)果有時(shí)相較實(shí)際工況偏差較大。主要原因如下：

①磁阻難以準(zhǔn)確計(jì)算。由公式磁阻

式中，μ為材料的磁導(dǎo)率；l為磁場通過的距離；S為磁場通過的面積。

可知，磁阻的大小與磁場通過的長度l、磁場通過的面積S、磁導(dǎo)率μ有關(guān)。對(duì)于鐵磁材料其內(nèi)部磁場并非均勻，而且磁導(dǎo)率也隨磁場的大小非線性變化；對(duì)于空氣其磁導(dǎo)率μ0雖恒定不變，但磁極與軌道間的氣隙并不規(guī)則。

②對(duì)于存在一定氣隙的磁路，空氣漏磁不能簡單忽略。磁路雖與電路類似，但也存在明顯不同。鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率約為空氣的幾千倍，而導(dǎo)體的電導(dǎo)率高達(dá)空氣的幾千億倍，因此，磁路中空氣漏磁無處不在，使得磁路分析變得無比復(fù)雜，最終導(dǎo)致磁路計(jì)算法建立的數(shù)學(xué)模型難以求解或者求解結(jié)果不精確。

為了高效、準(zhǔn)確地驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，工程師往往會(huì)在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行簡單的磁路計(jì)算后，采用CAE軟件進(jìn)行數(shù)值仿真分析，以此獲得關(guān)鍵的理論數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)方案的成功實(shí)施提供有效保障。

3 軌道磁力固定裝置磁場的仿真分析（圖5～7）

圖5 放料狀態(tài)磁場云圖

Ansys Maxwell是一款美國ANSYS公司研制的電磁有限元分析軟件，可幫助我們?cè)谠O(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)通過計(jì)算機(jī)對(duì)其性能進(jìn)行仿真分析，從而得到關(guān)鍵的理論數(shù)據(jù)。本文主要研究軌道磁力固定裝置從關(guān)閉（OFF）到打開（ON）磁軸旋轉(zhuǎn)155°的磁力變化和力矩變化。

（1）將Creo Parametric中的3D模型經(jīng)過簡化處理后，保存為STP格式后導(dǎo)入Ansys Maxwell內(nèi)。簡化處理主要是去除不導(dǎo)磁的零件和對(duì)仿真結(jié)果基本不影響的螺紋孔。

（2）磁軸從0°～155°旋轉(zhuǎn)過程中磁力和力矩時(shí)刻變化，分析方式采用瞬態(tài)磁場分析。先對(duì)導(dǎo)入的模型各部分材料進(jìn)行定義，再將模型中心磁軸及磁軸中間磁鋼定義為運(yùn)動(dòng)部件并設(shè)置好轉(zhuǎn)速（每秒1°）和旋轉(zhuǎn)時(shí)間（0～155s）。

（3）設(shè)置軌道所受的磁力和磁軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩為求解對(duì)象。

（4）建立求解域，開始求解。求解域相當(dāng)于空氣層，在閉合磁路中，空氣中的磁場分布較少，求解域大小相當(dāng)于模型的1.5～2倍即可。

（5）求解完成后，顯示出磁力和力矩的變化曲線并標(biāo)記出最大值。

仿真結(jié)果表明，把手帶動(dòng)磁軸由0°旋轉(zhuǎn)到155°過程中，裝置的磁力由0增到1190N，在155°達(dá)到最大；力矩由小變大，旋轉(zhuǎn)到103°時(shí)，達(dá)到最大9N·m，再由大變小。結(jié)論如下：①裝置在“OFF”狀態(tài)時(shí)內(nèi)部磁場無外漏，磁極對(duì)軌道無吸力能輕松放置及搬離。②裝置對(duì)軌道的磁力不小于100kg，已到達(dá)使用要求；使用時(shí)，在小車4個(gè)輪子附近各安裝1個(gè)磁力固定裝置，400kg磁力足夠?qū)⑿≤嚴(yán)卫挝皆谲壍郎鲜蛊淦椒€(wěn)行駛。③把手長度為0.1m，當(dāng)裝置由“OFF”狀態(tài)變?yōu)椤癘N”狀態(tài)時(shí)，使用者需釋放出最大拉力不大于90N，相對(duì)笨重復(fù)雜的機(jī)械固定方式，此軌道磁力固定裝置能夠通過轉(zhuǎn)動(dòng)把手輕松實(shí)現(xiàn)裝置的固定工作，改善了傳統(tǒng)軌道小車固定裝置安裝煩瑣的問題。

4 結(jié)語

圖6 吸料狀態(tài)磁場云圖

圖7 磁力與力矩變化

本文以軌道磁力固定裝置為研究對(duì)象，討論了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，先采用磁路計(jì)算法對(duì)其進(jìn)行簡單的理論分析，再通過Ansys Maxwell軟件進(jìn)行詳細(xì)的仿真分析，從而得到裝置內(nèi)部磁場的分布情況和磁力、力矩、角度三者之間的關(guān)系。通過這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，我們可以清晰地了解軌道磁力固定裝置在使用過程中其內(nèi)部磁場的動(dòng)態(tài)變化情況，準(zhǔn)確地掌握磁力和力矩隨角度變化的趨勢，為設(shè)計(jì)方案的合理性提供了足夠的理論依據(jù)。

所設(shè)計(jì)的軌道磁力固定裝置，能夠在略微增加小車重量的同時(shí)，通過磁力將小車?yán)卫挝皆谲壍?，有效地解決了軌道小車在軌道上行駛時(shí)，因重心偏高、自重較輕、重心不穩(wěn)等原因發(fā)生比較嚴(yán)重傾斜的問題，

目前，本文只對(duì)軌道磁力固定裝置的一種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究分析，并未進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以后可以著重研究磁鋼厚度、面積和磁力、力矩的關(guān)系，達(dá)到提高吸力、降低力矩、減輕重量的目的。