- 頭條學術簡報｜電磁鐵結構參數設計優化的新方法2019-08-01 作者：袁洋、武建文 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院的研究人員袁洋、武建文、蔣原、李維新，在2018年《電工技術學報》增刊2上撰文（論文標題為“雙行程螺管式電磁鐵動態仿真分析及實驗”），電磁鐵利用電磁力作機械功從而將電能轉換為機械能，其結構參數的優化設計非常重要。本文以雙行程螺管式電磁鐵為研究對象，提出一種Ansys Maxwell與ADAMS聯合仿真的建模方法。首先，采用磁路法計算出靜態吸力公式，為參數設計提供依據；然后，在Maxwell有限元軟件中，建立雙行程電磁鐵的三維模型，仿真得到其靜態特性，耦合電壓平衡方程和達朗貝爾運動方程，利用能量增量法得到動態吸力位移曲線；建立ADAMS仿真模型，導入動態吸力得到位移時間曲線，與實驗結果相比誤差在5%以內，驗證了Ansys Maxwell與ADAMS聯合仿真的可靠性，為電磁鐵的動態分析和結構參數設計優化提出了一種新方法。
電磁鐵是一種利用電磁力作機械功從而將電能轉換為機械能的電磁式電器，不僅廣泛運用在遠距離操縱機械裝置上，也是很多電磁電器的基本組成部件。電磁鐵的參數隨不同應用場合而改變，為保證其可靠動作，改善功率密度，優化結構參數的設計非常重要。
由于渦流、磁滯以及磁飽和等非線性因素，電磁機構的設計優化具有一定的復雜性。計算機輔助求解技術（Computer Aided Engineering, CAE）能夠縮短設計周期，減小設計成本，在電磁鐵的參數優化方面最常用的方法是有限元法和基于Matlab語言的Simulink建模方法。
文獻[8,9]根據經驗公式設計了電磁鐵的結構參數，在Ansys Maxwell有限元軟件中建立了二維仿真模型，研究不同參數對電磁鐵吸力特性的影響，從而對電磁鐵結構參數進行優化。文獻[10,11]針對傳統比例電磁鐵僅具備單向驅動能力的不足，研究了具有雙向驅動能力的比例電磁鐵，并利用Maxwell仿真分析參數變化對電磁鐵性能的影響。
上述研究都只從理論上對電磁鐵的設計優化進行了分析，缺少實驗驗證。文獻[12]利用Ansys有限元分析軟件和AMESim系統參數仿真軟件對螺管電磁鐵仿真分析得到電磁鐵的磁感應強度、磁力線分布和吸力特性曲線，將仿真結果與實測值進行了對比分析，但仿真部分只有靜態特性的研究，缺少對動態特性的分析，不能反映動作過程中機械參量和電磁參量的真實變化情況。
文獻[13]利用Maxwell軟件對電磁鐵進行了動態仿真分析，并進行了實驗驗證，但對于不能直接通過仿真得到動態特性參數的情況沒有給出解決方案。文獻[14]在Simulink中搭建了瞬態仿真模型，并比較了不同電磁鐵結構的瞬態特性，但是沒有考慮磁飽和，不適用于磁性材料出現飽和的情況。
為解決以上問題，本文以一種雙行程螺管式電磁鐵為研究對象，提出了Ansys Maxwell和ADAMS聯合仿真的建模方法。本文利用磁路法計算了電磁鐵的靜態電磁吸力解析式；在Ansys Maxwell軟件中搭建電磁鐵模型，仿真動鐵心的靜態特性；耦合機械運動和電壓平衡方程，求解不同階段動態吸力；在ADAMS軟件中仿真不同行程動鐵心的位移特性，并與實驗結果進行對比。
本文采用的Ansys Maxwell與ADAMS聯合仿真的方法，能夠獲取吸力特性、位移特性等電磁機構重要參數，為電磁機構的優化設計提供了新的思路。
圖1 雙行程電磁鐵結構簡圖
圖11 實驗平臺
結論
本文以雙行程螺管式電磁鐵為研究對象，分析其在不同行程運動過程中的動態特性，得到了以下結論：
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1）分析了雙行程電磁鐵的工作原理，通過磁路法得到了雙行程電磁鐵電磁吸力的計算公式，得到了靜態吸力特性，為電磁鐵參數設計提供了依據。
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2）利用Ansys Maxwell軟件分別對雙行程電磁鐵第一、二行程的靜態吸力特性進行仿真，通過求解電壓平衡方程和達朗貝爾運動方程得到動態吸力特性，并在ADAMS軟件中實現了機械運動模型仿真，得到了位移時間曲線，描述了電磁鐵的動態過程，為電磁鐵結構參數優化提供了有效的手段。
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3）基于仿真模型指導樣機設計，搭建實驗平臺進行了實驗驗證，實驗結果與仿真結果的運動時間誤差在5%以內，驗證了動態仿真的正確性。
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