序言

    作動(dòng)器，或者叫螺線管，是一種通電以后產(chǎn)生磁場(chǎng)來控制銜鐵實(shí)現(xiàn)理想力矩和位移的設(shè)備。銜鐵為鐵磁物質(zhì)，受到磁場(chǎng)作用后產(chǎn)生吸力并把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，用于對(duì)負(fù)載的速度、方向、位移、力進(jìn)行控制。

    作動(dòng)器，有時(shí)候也稱為制動(dòng)器、電磁閥、電磁鐵等，其應(yīng)用領(lǐng)域很廣，如燃料噴射器（油閥的電磁閥）、電能分配器（斷流器、斷路器、繼電器、接觸器等）、各種汽車、液壓工業(yè)應(yīng)用等。

    本文使用ANSYS公司的Maxwell V16，Simplorer 11．0和ANSYS WorkbenchTM(ANSYS MechanicalTM和ANSYS CFD)軟件對(duì)電磁作動(dòng)器進(jìn)行了多物理域系統(tǒng)級(jí)協(xié)同仿真分析。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

    作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式有很多，但工作原理基本相同。典型的電磁作動(dòng)器包含一個(gè)繞制在鐵極片的多匝線圈和一個(gè)可移動(dòng)的銜鐵。此外，外殼框架的鐵心部分，為磁通提供閉合回路。圖1展示了框架、磁極片、線圈和銜鐵的幾何結(jié)構(gòu)。

圖1 三維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)典型電磁作動(dòng)器視圖

    當(dāng)電磁作動(dòng)器連接上電壓源時(shí)，線圈中通過電流并產(chǎn)生磁通形成磁力，驅(qū)動(dòng)銜鐵從開啟位置移動(dòng)到閉合位置。有些電磁作動(dòng)器可采用永磁體來輔助建立磁通或者幫助銜鐵在線圈電壓關(guān)斷時(shí)保持在一定的位置。音圈作動(dòng)器使用永磁體產(chǎn)生磁通和線圈電流相互作用，使得線圈中產(chǎn)生洛倫茲力。這些設(shè)備可能是二維或和三維結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)部件可能是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者是非圓柱運(yùn)動(dòng)（如搖桿擺動(dòng)）。

    作動(dòng)器中的銜鐵、磁極片和框架均為鐵磁材料，建模時(shí)考慮了非線性BH曲線飽和效應(yīng)對(duì)設(shè)備性能的影響。銜鐵形狀和尺寸的設(shè)計(jì)，以及與磁極片的匹配都會(huì)影響作動(dòng)器關(guān)閉時(shí)刻的力能指標(biāo)。另外，線圈的設(shè)計(jì)決定了其電阻和電感值，尤其是電感，因?yàn)樗�正比于線圈匝數(shù)的平方乘以非線性鐵磁材料和空氣氣隙的總磁阻。UR的比值為設(shè)備的電氣時(shí)間常數(shù)，這個(gè)值決定了線圈中電流上升的速度，而設(shè)備中磁場(chǎng)建立的速度取決于電渦流，因而電磁擴(kuò)散時(shí)間也會(huì)影響作動(dòng)器性能。

    圖2顯示了作動(dòng)器在電壓源激勵(lì)條件下的瞬態(tài)磁通密度云圖。在線圈電流快速上升期間，磁通還沒有來得及擴(kuò)散到作動(dòng)器的整個(gè)磁路前，集中分布在作動(dòng)器的內(nèi)表面上，這也延遲了銜鐵力場(chǎng)的建立時(shí)間，從而延遲了閉合時(shí)間。類似道理，當(dāng)外加電壓源關(guān)斷后從設(shè)備上撤銷磁場(chǎng)時(shí)，由于殘磁的存在也會(huì)延遲作動(dòng)器銜鐵的重新打開時(shí)間。圖2插圖顯示了考慮電渦流后局部磁場(chǎng)擴(kuò)散過程，隨著時(shí)間推進(jìn)，磁場(chǎng)穿過設(shè)備壁厚，銜鐵受力增加，最后，一旦受力克服了彈簧和負(fù)載反作用力后銜鐵閉合。

圖2 瞬態(tài)仿真0.001S后的磁密圖

靜態(tài)和瞬態(tài)仿真分析

    Maxwell的靜態(tài)或者瞬態(tài)求解器可以完成作動(dòng)器二維和三維電磁場(chǎng)分析。通常，在靜態(tài)仿真中把線圈的形狀系數(shù)、匝數(shù)和線徑以及幾何尺寸等參數(shù)設(shè)為參數(shù)化／優(yōu)化變量，改變線圈電流和銜鐵位置值而輸出一組反映力和位置的曲線。由于Maxwell使用了自動(dòng)自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，從而使變量的參數(shù)化、優(yōu)化掃描變得非常的容易。

    除了靜態(tài)方法以外，使用Maxwell瞬態(tài)求解器可以仿真考慮了電氣控制和機(jī)械負(fù)載條件下，銜鐵到達(dá)閉合位置的速度問題。本文給出了一個(gè)強(qiáng)有力的仿真案例：外加激勵(lì)電壓源為任意波形（或者使用Maxwell自帶的外電路編輯器，同時(shí)考慮材料的非線性，考慮機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程（包含了阻尼、負(fù)載力，而且它們都可以是關(guān)于位置、速度或者時(shí)間的函數(shù)），考慮電渦流和磁擴(kuò)散，其仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 采用Maxwell自帶的外電路編輯器實(shí)現(xiàn)斬波電流激勵(lì)

    瞬態(tài)仿真結(jié)果給出了位置波形、線圈電流和二極管電流波形。

系統(tǒng)仿真

    Simplorer是功能強(qiáng)大的多域機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析軟件，用于電氣、電磁、電力電子、控制等機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)、仿真分析和優(yōu)化。Simplorer提供了多種建模語言，包括電路、方框圖、狀態(tài)機(jī)、方程、VHDL-AMS.SML以及C/C++等標(biāo)準(zhǔn)建模語言。這些語言可混合使用，輕松建立模擬、數(shù)字和混合信號(hào)的多域設(shè)計(jì)模型。

    對(duì)于需要高精度建模的系統(tǒng)組件，Simplorer能夠直接和業(yè)界領(lǐng)先的ANSYS@電磁場(chǎng)仿真工具動(dòng)態(tài)鏈接，包括Maxwell，Q3D Extractor，RMxprtTM，PExprtTM，ANSYS Icepak和ANSYS MechanicalTM等。這種協(xié)同仿真技術(shù)和模型降階技術(shù)讓Simplorer具有強(qiáng)大的基于物理原型的系統(tǒng)建模和仿真能力。

    在本作動(dòng)器案例中，若需要更精確的的電路模型，Simplorer可以與Maxwell協(xié)同仿真（在Maxwell中考慮了材料的非線性、電渦流和磁擴(kuò)散），或者使用等效電路模型（等效電路是作動(dòng)器位置和電流參數(shù)化掃描結(jié)果，同時(shí)忽略了線圈的渦流效應(yīng)）。圖4展示了Simplorer平臺(tái)下多物理域部件無縫集成的協(xié)同仿真系統(tǒng)：設(shè)備級(jí)的電力電子器件、閉環(huán)控制系統(tǒng)、精確的二維或者三維作動(dòng)器模型、以及機(jī)械或者液壓負(fù)載等。驅(qū)動(dòng)電路與Maxwell有限元模型通過瞬態(tài)鏈接實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真；機(jī)械管腳直接連接定義重量、力、彈簧和停止位限制的裝置等。

熱-應(yīng)力仿真

    一旦在電磁場(chǎng)仿真分析中得到時(shí)域下的線圈和鐵芯損耗，就可以通過ANSYN WB環(huán)境映射到ANSYS MechanicalTM或者ANSYS CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）中做熱分析，如圖5所示。電磁場(chǎng)分析得到的平均損耗空間分布映射到ANSYS熱模型中，通過直接定義或由CFD軟件計(jì)算得傳熱系數(shù)，再通過瞬態(tài)熱性能和熱循環(huán)分析得到作動(dòng)器的穩(wěn)態(tài)溫度。

總結(jié)

    ANSYS集成化設(shè)計(jì)平臺(tái)，提供了電磁作動(dòng)器電磁場(chǎng)有限元精確分析和設(shè)計(jì)工具，既能完成作動(dòng)器本體靜態(tài)、瞬態(tài)磁場(chǎng)分析，也能完成熱場(chǎng)、電路和系統(tǒng)分析�？梢詭椭�公司便捷、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)無縫集成的一體化作動(dòng)器設(shè)計(jì)流程，通過高精度仿真，最大限度的減少制作樣機(jī)的次數(shù)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，有利于公司在激烈競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。

圖4 Simplorer平臺(tái)下作動(dòng)器系統(tǒng)級(jí)仿真

    左圖為線圈電流、電壓隨銜鐵位置變化的曲線，右圖為銜鐵受力對(duì)時(shí)間的波形。

圖5 ANSYS WB可直接映射電磁損耗到靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)熱模型中，實(shí)現(xiàn)電磁、熱耦合分析

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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