基于Ansoft的比例电磁铁建模与仿真

费烨，张成杰，林闯

（沈阳建筑大学 交通与机械工程学院，沈阳 110168）

0 引 言

因构件安装的需要，近年对大型汽车起重机起升微动性有了更高要求。比例控制阀因其控制性能好、对油质要求不高的特点，在其中得到了广泛应用。目前，借助AMESim 软件仿真是液压系统工作特性分析的重要手段，该软件对包含比例换向阀的汽车起重机起升回路进行仿真时，需借助HCD 功能搭建比例换向阀仿真模型。比例电磁铁作为比例控制阀的电-机械转换器件，其功能是把比例放大器输出的电流信号转换成力和位移以驱动阀芯动作，是比例控制阀仿真模型的输入信号。该信号的准确与否，对比例控制阀模型具有决定性影响。单一地利用HCD 建立比例控制阀仿真模型时，通常将比例电磁铁简化，依据样本提供参数用分段函数模拟其对阀芯的驱动，仿真准确性难以保证。

本文尝试借助有限元分析软件Ansoft Maxwell 对比例电磁铁进行建模，通过仿真得出比例电磁铁的输入输出特性，为比例换向阀AMESim 仿真建模中的输入信号做出准备，以保证含有比例控制阀液压系统仿真的准确性。

1 比例电磁铁组成及原理

比例电磁铁主要由电磁推杆1、工作气隙2、径向间隙3、衔铁4、固定环5、隔磁环6、导套7 和极靴8 等组成，如图1。

当控制电流通过线圈时，在磁势作用下形成两条磁路：一路为Φ1，它从前端盆型极靴底部穿过、沿着轴向工作气隙进入衔铁，绕过导向套后段通过导磁外壳回到前端极靴；另一路Φ2经极靴锥形周边，近似于径向穿过工作气隙进入衔铁后与Φ1汇合，如图2。

经两条磁路共同作用，形成推杆呈水平的力-位移特性，即线圈电流一定时工作行程上输出力保持恒定［1］，如图3。

图1 比例电磁铁结构图

图2 比例电磁铁磁路示意图

图3 比例电磁铁力输出理论曲线

2 比例电磁铁有限元模型

2.1 比例电磁铁结构参数确定

比例电磁铁结构参数是仿真建模的基础，这些参数样本并不提供，可借助相关设计公式依据样本特性参数反算推出［2］，这里以GH263-060 比例电磁铁为例进行结构参数的反求，其额定电流1.11A、额定行程4 mm、额定吸力145N［3］。

1）线圈长度hx。

根据公式：Nqxu=ftbxhx，可得：hx=Nqxu/ftbx式中：N 为匝数，取N=1 350；qxu为漆包线截面积，取qxu＝0.23 mm；ft为线圈填充系数，取ft＝0.75；bx为线圈宽度，取bx=11 mm。

代入得hx=37 mm，考虑发热等因素取hx=42 mm。

2）衔铁直径Dxt。

式中：Bp为感应强度，取Bp=9 500 Gs；F 为额定吸力，F=145 N。代入得Dxt=23.6 mm，取Dxt=25 mm。

3）导向套外径Ddt。

式中：K 为分配比，取K＝0.65；ddt为导套内径，取ddt=24 mm；d0为挡铁内孔径，取d0=9 mm，计算确定导向套外径Ddt=30 mm。

4）衔铁长度。

衔铁长度由两部分构成，一是线圈覆盖区域内长度L1，另一部分是覆盖之外的长度L2。

其中：L1＝0.5hx=21 mm，L2＝Ddt/4＝7.5 mm。

衔铁长度L＝L1＋L2＝28.5 mm。

考虑复位弹簧和气隙距离等因素，最终确定衔铁长度L＝31 mm。

5）隔磁环角度α。

隔磁环是比例电磁铁关键部件，它产生两路磁感线，以使衔铁输出水平的力-位移特性，其工作角度决定比例电磁铁的力-位移特性优劣［4］。

隔磁环角度：α＝arctan（Ddt-ddt/2δn），按照样本取工作气隙δn＝4 mm 可得隔磁环的工作角度α＝37°。

2.2 比例电磁铁建模

由图1 可知，比例电磁铁为轴对称结构，可使用Ansoft Maxwell 2D 软件选择柱坐标系取比例电磁铁的一半进行建模，以提高分析效率。采用智能式网格划分技术，对重点区域加大网格密度，提高分析精度，设定误差不超过0.1%。根据确定的比例电磁铁结构参数，在Ansoft软件中建立比例电磁铁模型［5］，这里以衔铁和推杆为例给出建模步骤：

1）选择Maxwell 2D 按钮创建新文件；

2）选择求解器为静磁场，坐标系为Cylindrical about Z；

3）考虑衔铁和推杆固结、材料属性基本类似，利用划线命令按照Point1（0，0，34）、Point2（12.5，0，34）、Point3（12.5，0，65）、Point4（4.5，0，65）、Point5（4.5，0，100）、Point6（0，0，100）、Point7（0，0，34）输入各个点坐标，最终形成闭合曲线得其一体化模型，如图4（a）。

比例电磁铁其它部分创建方法和过程都与此类似，图4（b）为比例电磁铁Maxwell 模型。

3 比例电磁铁仿真

3.1 仿真参数设置

图4 比例电磁铁Maxwell 模型

比例电磁铁仿真模型建立后，需给出求解边界、激励源、模型材料选择、求解参数、网格划分设置等，仿真参数设置如表1。

表1 仿真参数设置

3.2 仿真结果

比例电磁铁工作时，工作气隙为变量。因此，其工作特性由若干瞬态过程集合而成。图5 为工作间隙δ＝1.0 mm 时电磁铁的磁力线分布。

由图可见，磁力线在衔铁和极靴等单元处分布最为密集；在隔磁环附近，磁感线均以一定倾角进入衔铁单元，符合比例电磁铁产生两种路径的磁力线分布理论。

将工作气隙在0～6.4 mm 间以0.2 的步长进行离散，仿真不同安匝数（输入电流）比例电磁铁力-位移输出特性，表2 为安匝数1 500（额定电流1.11 A）时的仿真结果。

以上数据分析可得额定电流时，平稳工作行程大致为1.0～5.0 mm，此区间平均电磁力为74.2 N，最大波动量12 N，因所建模型为总体的一半，所以比例电磁铁平均输出力为148.4 N，与样本参数145 N 相差不大，所建模型准确。同理可得工作电流为0.8 A、0.6 A 时整体比例电磁铁电磁力输出特性，如图6。

表2 安匝数1 500 时不同工作气隙下的电磁力N

图5 比例电磁铁磁力线分布

图6 不同工作电流比例电磁力-位移输出特性拟合

4 结 语

由图6 给出的仿真结果可以看出：

1）无论输入电流如何变化，比例电磁铁均表现为工作气隙零区域附近吸力较大，随着工作气隙的增大，输出力迅速减小，大于1.0 mm 时趋于稳定；当工作气隙超过5.0 mm 时，输出力开始下降。

2）不同输入电流下，比例电磁铁稳定段的输出力近似平行，表明输出力与电流有近似的正比关系。

3）当输入额定电流1.11 A 时，比例电磁铁稳态输出力在137～161 N 间变化，其平均值为148.4 N，与样本值145 N 误差仅为2.3%。

由此可见，借助Ansoft 软件搭建的比例电磁铁模型在趋势和数值上都正确反映了比例电磁铁输出特性，将其实时导入AMESim 中相应的比例控制阀作为阀芯输入，可有效避免分段函数模拟比例控制阀阀芯输入信号造成的建模误差，也便于实现不同型号比例控制阀的参数化仿真，可为包含比例控制阀的液压系统进行基于Ansoft 和AMESim 软件联合仿真做好建模准备。

［1］ 李其朋，丁凡．比例电磁铁行程力特性仿真与实验研究［J］．农业机械学报，2005（2）：104-107.

［2］ 颜凌云．耐高压比例电磁铁的设计［J］．工程机械，1995（1）：13-17.

［3］ 安阳凯地电磁技术有限公司.GH263-060 比例电磁铁样本［EB/OL］.http://www.aykaidi.com/.

［4］ 康宏伟，刘雪垠．改善比例电磁铁位移-力特性的几点措施［J］．流体传动与控制，2010（1）：45-47.

［5］ 方向，魏建华.改善比例电磁铁行程力特性的仿真研究［J］.机械设计，2010（12）：18-21.