磁回复高速开关电磁铁仿真分析

李 威，胡旭东，李其朋

（1.浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018；2.浙江科技学院 机械与汽车工程学院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

近年来，由于人们对高频响、抗污染能力强、成本低廉的电液控制系统的新需求，传统的开关阀换向频率低和电液伺服阀抗污能力差、价格昂贵等不足已经越来越不能满足人们的要求。而高速开关阀具有能耗低、对污染不敏感、结构简单、价格便宜、工作精度较好、响应速度较高等特点，而且高速开关阀可与计算机直接相连，以完成对被控对象的控制任务。在汽车、工程机械和农业机械等诸多领域，高速开关阀都已经被广泛应用。高速开关电磁铁是高速电磁开关阀的关键驱动部件，其性能直接决定了液压阀及系统的工作特性[1-9]。因此，高速开关电磁铁成为了国内外的研究热点。

但是，目前的高速开关电磁铁多由弹簧机构回复。弹簧在服役过程中，疲劳破坏可造成高速开关电磁铁失效，轻则引起机械失控，重则可引起重大事故，造成人员伤亡[10-12]。故本研究提出一种磁回复机构代替弹簧机构，并对磁回复高速开关电磁铁进行仿真，探讨磁回复机构对其静态特性的影响。

1 结构与原理

磁回复高速开关电磁铁如图1 所示，其结构由衔铁、挡块、外壳、线圈、推杆、端盖、环形永磁体等组成。衔铁在导磁套内可自由移动，衔铁移动带动推杆输出位移。隔磁片的作用是使线圈产生的磁场回路和环形永磁体产生的永磁场回路相对独立，避免互相干扰。在端盖上有一环形槽，环形槽中有一环形永磁体。环形永磁体采用高性能的钕铁硼稀土永磁材料，环形永磁体的作用是提供永磁回复力，使衔铁复位。

图1 磁回复高速开关电磁铁结构

磁回复高速开关电磁铁的工作原理如图2 所示。当线圈未通电时，仅有环形永磁体产生的极化磁场，形成磁路Φ1和Φ2，在永磁力的作用下，衔铁带动推杆向右运动，直至撞上端盖；当线圈通入一定极性的电流时，线圈产生的控制磁通建立控制磁路，控制磁路经过工作气隙产生电磁力，以克服永磁吸力并向左运动，直至撞到限位片。

图2 磁回复型高速开关电磁铁工作原理示意图

2 仿 真

2.1 仿真建模

本研究在有限元仿真软件Ansoft/Maxwell 中建立了磁回复型高速开关电磁铁仿真模型。由于磁回复高速开关电磁铁为轴对称结构，笔者建立的仿真模型取一半的结构，可节省计算仿真时间，且不影响精度。

本研究在Ansoft/Maxwell 中设置模型的材料。衔铁、挡块、外壳、法兰、导磁片等由导磁材料纯铁DT4制成，它的磁化曲线如图3 所示。隔磁片、隔磁套由非导磁材料铜或铝制成。环形永磁体由钕铁硼稀土永磁材料制成，水平磁化。

图3 纯铁磁化曲线

在有限元软件中，网格划分关系到计算精度以及计算时间。在Ansoft/Maxwell 中，本研究对磁回复高速开关电磁铁模型采用三角形网格划分，并对衔铁端部、环形永磁体及工作气隙等关键部位进行了网格加密，网格划分图如图4 所示。

图4 网格划分

在Ansoft/Maxwell 中，本研究选择求解域的边为气球边界，选择中心轴线为对称边界。设置环形永磁体长度、深V 槽深度和宽度、衔铁上的沉孔深度等主要结构参数作为求解的参数变量，并添加求解设置，运行软件求解。

2.2 参数分析

磁回复高速开关电磁铁主要结构参数如图2 所示，有环形永磁体长度、深V 槽深度和宽度、衔铁上的沉孔深度。

基于如图1 所示结构的磁回复高速开关电磁铁，通过改变上述结构参数，笔者对模型的静态特性进行了仿真分析。由于衔铁靠近环形永磁体0.2mm 后，永磁力急剧增大，呈非线性增长。为了使衔铁在回复行程中受力呈线性化，本研究在分析时取衔铁和环形永磁体之间的距离为0。磁回复高速开关电磁铁关键结构参数对衔铁受力影响图如图5 所示。仿真结果表明：

（1）如图5（a）所示，在无激励源时，当环形永磁体的长度变长时，衔铁受到的永磁力也相应增加，当环形永磁体长度增长到5 mm 后再继续增长时，衔铁受到的永磁力变化则趋于平缓。

其原因为：当环形永磁体长度增加时，相当于磁体体积增大，衔铁受力变大；当环形永磁体长度增长到5 mm 后再继续增长时，通过衔铁的磁通量不再增加，衔铁受到的永磁力趋于平缓。

（2）如图5（b）所示，深V 槽的深度增加，衔铁受到的永磁力也增大，当深度增加到10mm 后再继续增加时，衔铁受到的永磁力则增加缓慢，趋于平缓。

其原因为：当深V 槽的深度增加，磁路Φ2 不经过工作气隙的漏磁减少，衔铁受到的永磁力增加；当深V槽的深度增加到10mm 后再继续增加时，由于磁路Φ2不经过工作气隙的漏磁不再减少，所以衔铁受到的永磁力不再增加。

（3）如图5（c）所示，深V 槽的宽度增加，衔铁受力增加，当槽宽增加到4mm 后再继续增加时，则衔铁受力趋于平缓。

图5 磁回复高速开关电磁铁关键结构参数对衔铁受力影响图

其原因为：深V 槽槽宽增加，磁路Φ2 的漏磁减少，致使衔铁受力增加；当深V 槽槽宽增加到4 mm 后再继续增加时，由于磁路Φ2的漏磁不再减少，则衔铁受力趋于平缓。

（4）沉孔内径远小于环形永磁体内径时，沉孔深度增加对磁路Φ1和Φ2 不大；当沉孔内径与环形永磁体内径相同时，如图5（d）所示，沉孔深度增加，衔铁受力减少，当沉孔深度增加到1 mm 后再继续增加时，衔铁受力则趋于平缓。

其原因为：沉孔深度增加，磁路Φ1磁阻增加，致使衔铁受力减小；当沉孔深度增加到1 mm 后再继续增加时，磁路Φ1中一部分磁路改变路径，不再通过沉孔，衔铁受力不再减少。

3 结束语

本研究提出了一种基于磁弹簧的高速开关电磁铁结构，并就其关键结构参数进行了仿真分析。

仿真结果表明：永磁体长度、深V 槽深度和宽度增加，衔铁受力增加，当增加至一定值后，衔铁受力趋于饱和；沉孔深度增加，衔铁受力减少，当增加至一定值后，衔铁受力趋于平缓。笔者综合考虑整段行程中衔铁的受力情况以及制造和装配情况，当环形永磁体长5 mm，深V 槽深10 mm，宽4 mm，沉孔深2 mm 时，推杆输出特性良好。

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