衔铁结构对比例电磁铁行程-力特性的影响

赵继国,冀 宏,苏玛亮,陈乾鹏,李瑞锋

(1.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050; 2.甘肃省液压气动工程技术研究中心,甘肃兰州 730050)

衔铁结构对比例电磁铁行程-力特性的影响

赵继国1,2,冀 宏1,2,苏玛亮1,2,陈乾鹏1,2,李瑞锋1,2

(1.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050; 2.甘肃省液压气动工程技术研究中心,甘肃兰州 730050)

建立了比例电磁铁有限元仿真模型,利用Ansoft Maxwell2D电磁场有限元仿真软件对衔铁长度、衔铁上推杆孔的深度和孔径、衔铁前端和尾部倒角及圆角对比例电磁铁行程-力特性的影响进行了仿真计算。结果表明:衔铁长度对比例电磁铁工作行程内电磁力大小和水平程度有比较明显的影响;推杆孔的深度和孔径越大,靠近吸合面的电磁力越小;衔铁前端倒角对比例电磁铁行程-力特性影响比较明显;衔铁前端圆角、尾部倒角和圆角对比例电磁铁行程-力特性的影响很小;衔铁前端加工圆角可以增大比例电磁铁工作行程,但这是以减小工作行程内电磁力为代价的。

比例电磁铁;衔铁;行程-力特性;Ansoft

比例电磁铁作为电液比例阀最常用的关键电气-机械转换元件,具有推力大、结构简单、对油质要求不高、成本低廉和维修方便等优点[1]。其作用是将比例控制放大器输出的电流信号转换成力或位移信号输出,轴向推力与电流成正比且在工作行程内保持恒定(水平行程-力特性)[2]。比例电磁铁良好的性能对电液比例阀的可靠性和稳定性具有非常重要的作用,而衔铁又是比例电磁铁重要的可动部件。因此,研究衔铁结构参数对比例电磁铁行程-力特性的影响显得尤为重要。

比例电磁铁行程-力特性的影响因素很多,良好的行程-力特性很难得以保证。近年来,国内外诸多研究人员对影响比例电磁铁行程-力特性的因素开展了相关的研究,文献[3]中研究了电磁铁各个关键结构参数(衔铁与导套的径向间隙、隔磁环前端斜面角度、隔磁环前端几何形状及导套厚度等)对比例电磁铁行程-力特性的影响;文献[4]中研究了比例电磁铁固定铁芯与可动铁芯锥面形状、吸合面位置和材料对电磁力的影响;文献[5]中研究了比例电磁铁结构参数(初始工作气隙、侧向气隙等)对吸力水平特性的影响;文献[6]中研究了衔铁材料分别为DT4c、1J6、1J60时,隔磁角大小对电磁铁行程-力特性的影响,得到的结论为设计和优化比例电磁铁提供了一定的依据。

研究利用Ansoft Maxwell2D电磁场有限元仿真软件,对比例电磁铁衔铁长度、衔铁上推杆孔的深度和孔径、衔铁前端(靠近推杆侧)和尾部倒角及圆角对其行程-力特性的影响进行仿真研究,揭示衔铁结构参数与电磁铁行程-力特性之间的关系,为进一步设计优化电磁铁提供更加全面的理论依据。

1 比例电磁铁结构及工作原理

图1给出了比例电磁铁的结构图。比例电磁铁主要由衔铁、极靴、外壳、线圈、隔磁环、导套和推杆等组成。衔铁、极靴、外壳和导套是由导磁材料制成,隔磁环、推杆和线圈是由非导磁材料制成。其中隔磁环被焊接在极靴和导套中间形成铁芯管,铁芯管具有足够的耐压强度,可承受高达35 MPa的静压力[7]。

图2给出了比例电磁铁的磁路分布,隔磁环把磁路分成Φ1和Φ2两部分,其中Φ1沿盆型穿过轴向非工作间隙、极靴、外壳和衔铁形成闭合的磁路,产生轴向推力F1,Φ2沿盆型边缘穿过径向工作气隙、极靴、外壳和衔铁产生轴向附加力F2,二者综合得到比例电磁铁的电磁力F,如图3所示。

图1 比例电磁铁结构Fig.1 Structure diagram of ratio electromagnet

图2 比例电磁铁磁路分布Fig.2 Magnet circuit of ratio electromagnet

图3 比例电磁铁行程-力特性Fig.3 Ratio electromagnet stroke-force characteristics

2 模型建立

2.1 数学模型

描述一般电磁场微分形式的麦克斯维基本方程组,即

其中:ε为介质的介电常数(F/m);μ为介质的磁导率(H/m);σ为介质的电导率(S/m)。对于各项同性介质,ε、μ、σ是标量,对于各项异性介质,它们是张量[8]。

考虑到磁场为结构对称的稳定磁场,可将式(3)写为分量形式:

2.2 仿真模型

图4为比例电磁铁有限元仿真模型,这里设置求解域边界条件为气球边界条件,激励安匝数为1 449 A,行程为5 mm。由于极靴、衔铁和隔磁环对求解精度影响较大,因此将极靴、衔铁和隔磁环局部的网格进行加密以提高求解精度。另外,比例电磁铁本身结构具有对称性,取其一半结构,利用Ansoft Maxwell2D电磁场有限元仿真软件进行仿真计算,以提高计算速度。表1给出了比例电磁铁各零部件材料分配。

图4 比例电磁铁仿真模型Fig.4 Simulation Model of ratio electromagnet

表1 比例电磁铁各零部件材料分配Table 1 Accessories allocation of ratio electromagnet

3 仿真结果及分析

比例电磁铁行程-力特性主要取决于其结构和材料,图5为比例电磁铁仿真参数示意图。这里结合某电磁铁制造企业实际存在的问题,针对比例电磁铁衔铁结构参数(衔铁长度L、衔铁上推杆孔的深度H和孔径D、衔铁前端和尾部倒角及圆角)对行程-力特性的影响进行仿真研究。

图5 仿真参数Fig.5 Diagram of simulation parameters

图6为衔铁长度对比例电磁铁行程-力特性的影响曲线。由图6可以看出:衔铁长度对比例电磁铁工作行程影响很小,但对工作行程内电磁力的大小和水平程度有比较明显的影响。随着衔铁长度的增大,工作行程内电磁力逐渐增大,增幅逐渐减小,水平程度也逐渐变好。考虑到衔铁是电磁铁重要的可动部件之一,在直径不变时,减小长度可以缩短其动作时间。因此,在衔铁设计时既要考虑其对电磁铁行程-力特性的影响,又要考虑对动作时间的影响。

图6 衔铁长度对位移-力特性的影响Fig.6 The influence of armature length on displacement-force characteristics

图7(a)为比例电磁铁衔铁上推杆孔深度对其行程-力特性的影响曲线,计算结果表明:推杆孔深度对比例电磁铁工作行程影响很小;对距离吸合面0～2 mm内的电磁力有一定影响,孔越深电磁力越小。

图7(b)为比例电磁铁衔铁上推杆孔孔径对其行程-力特性的影响曲线,从仿真结果可以看出:孔径对电磁铁工作行程影响很小;对距离吸合面0～2 mm内的电磁力有一定影响,孔径越大电磁力越小。

图7 衔铁上推杆孔的深度和孔径对位移-力特性的影响Fig.7 The influence of depth and aperture of armature＇s pushrod hole on displacement-force characteristics

图8(a)为比例电磁铁衔铁前端倒角对其行程-力特性的影响曲线,从仿真结果可以看出:衔铁前端倒角的大小对比例电磁铁工作行程和电磁力大小均有比较明显的影响。随着衔铁前端倒角的增大,比例电磁铁工作行程逐渐缩短,电磁力逐渐增大。产生这种现象的原因是随着衔铁前端倒角的增大,磁通Φ2的增大超过Φ1的减小,导致轴向附加力F2的增大大于轴向力F1的减小,导致合力F增大。所以,在设计衔铁时,要根据比例电磁铁的设计要求严格控制衔铁前端倒角的大小,以保证比例电磁铁工作的可靠性。

图8(b)为比例电磁铁衔铁前端圆角对其行程-力特性的影响曲线,从仿真曲线可以看出:衔铁前端圆角的变化对比例电磁铁工作行程和电磁力大小影响均很小。

从图8(a)和(b)可以看出,比例电磁铁衔铁前端倒角和圆角在0～0.6 mm变化的过程中,倒角较圆角对其工作行程和电磁力大小的影响更加明显,所以,衔铁前端尽量设计成圆角。

图8 衔铁前端倒角和圆角对行程-力特性的影响Fig.8 The influence of front chamfers and circular bead of armature on the stroke-force characteristics

图9给出了比例电磁铁衔铁前端相同数值倒角和圆角对其行程-力特性影响的对比曲线,从图9(a)和(b)可以看出:衔铁前端相同数值的倒角和圆角对比例电磁铁工作行程和电磁力大小均有明显的影响;与相同数值大小的倒角相比,圆角可以增大比例电磁铁工作行程,但是,这是以牺牲电磁力为代价的,并且倒角和圆角的数值越大,对比例电磁铁行程-力特性的影响也越显著。

图9 衔铁前端相同数值倒角和圆角对行程-力特性影响的对比Fig.9 Comparison of the influence of front chamfers and circular bead of same numerical of armature on the stroke-force characteristics

图10为比例电磁铁衔铁尾部倒角和圆角对其行程-力特性的影响曲线。由仿真曲线可知:衔铁尾部倒角和圆角的变化对比例电磁铁工作行程和电磁力大小影响也很小。

图10 衔铁尾部倒角和圆角对行程-力特性的影响Fig.10 The influence of rear chamfers and circular bead of armature on the stroke-force characteristics

图11给出了比例电磁铁衔铁尾部相同数值倒角和圆角对其行程-力特性影响的对比曲线。从图11 (a)和(b)可以看出:衔铁尾部相同数值的倒角和圆角对比例电磁铁工作行程和电磁力大小影响均很小。

图11 衔铁尾部相同数值倒角和圆角对行程-力特性影响的对比Fig.11 Comparison of the influence of rear chamfers and circular bead of same numerical of armature on the stroke-force characteristics

4 结论

(1)比例电磁铁衔铁长度对其工作行程影响很小,但是,对工作行程内电磁力的大小和水平程度有比较明显的影响。随着衔铁长度的增加,工作行程内的电磁力逐渐增大,增幅逐渐减小,水平程度也逐渐变好。衔铁上推杆孔的深度和孔径对比例电磁铁工作行程影响很小,但对靠近吸合面的电磁力有一定的影响,随着深度和孔径的增大,靠近吸合面的电磁力逐渐减小。因此,在设计电磁铁衔铁时,首先要保证衔铁的长度,其次,保证推杆安装到衔铁上工作可靠的前提下,尽量将衔铁上的推杆孔设计成细短孔。

(2)衔铁前端倒角对比例电磁铁工作行程和电磁力大小都有比较明显的影响,随着倒角的增大,比例电磁铁工作行程逐渐减小,电磁力逐渐增大。衔铁前端圆角、尾部倒角和圆角对比例电磁铁工作行程和电磁力大小影响很小。因此,在设计衔铁时,一定要根据比例电磁铁的设计要求严格控制衔铁前端倒角的大小,以保证比例电磁铁工作的可靠性。

(3)衔铁前端加工圆角可以增大比例电磁铁工作行程,但这是以减小比例电磁铁工作行程内电磁力为代价的;加工倒角可以增大工作行程内的电磁力,但会缩短工作行程。因此,要根据比例电磁铁实际工作要求,合理设计衔铁前端的结构。

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The Influence of Armature Structure on Ratio Electromagnet Stroke-force Characteristics

Zhao Jiguo1,2,Ji Hong1,2,Su Maliang1,2,Chen Qianpeng1,2,Li Ruifeng1,2
(1.College of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China; 2.Research Center for Hy draulics and Pneumatics Engineering of Gansu Province,Lanzhou730050,China)

It establishes a ratio electromagnet finite element simulated model,and use the Ansoft Maxwell2D electromagnetic field finite element simulation software to make stimulation calculation on the influence of armature length,pushrod＇s depth and aperture of armature,the armature front and rear＇s chamfer and circular bead on ratio electromagnet stroke-force characteristics.The results show that:the length of the armature have significant effect on the electromagnetism size and level degree in the working process of the ratio electromagnet.The larger of the depth and aperture of pushrod hole,the smaller of the electromagnetism that nears the actuation surface.The front chamfer of armature has significant effect on ratio electromagnet stroke-force characteristics.The front circular bead and rear chamfer and circular bead has little influence on ratio electromagnet stroke-force characteristics.Armature front processing circular bead can increase ratio electromagnet stroke-force,but it is at the cost of reducing electromagnetism within the working operation.

Ratio electromagnet;Armature;Stroke-force characteristics;Ansoft

TH137

:A

:1004-0366(2016)05-0089-06

2015-04-30;

:2015-06-15.

赵继国(1984-),男,甘肃永昌人,硕士研究生,研究方向为流体传动与控制技术.E-mail:zjgfx_122＠163.com.

Zhao Jiguo,Ji Hong,Su Maliang,et al.The Influence of Armature Structure on Ratio Electromagnet Stroke-force Characteristics[J].Journal of Gansu Sciences,89-93,129.[赵继国,冀宏,苏玛亮,等.衔铁结构对比例电磁铁行程-力特性的影响[J].甘肃科学学报,2016,28(5):89-93,129.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.021.