基于Ansys-Maxwell的矿用电磁铁优化和仿真

郭大勇，司国雷，唐兵，王嘉磊

(四川航天烽火伺服控制技术有限公司，四川 成都 611130)

0 引言

液压支架电液控制系统是煤炭综采工作面的重要组成部分，对保证煤矿工人的安全作业起着重要作用。矿用电磁先导阀是电液控制系统中重要组成部分，通过控制主阀的通断使油液进入液压支架的液压缸，使液压支架实现升降运动，隔离采空区，保证煤矿工人的安全作业[1]。电磁铁作为一种电-机械转换装置，是电磁先导阀的核心控制部分，其性能的好坏直接影响整个液压支架系统的正常工作。

由于矿用环境的特殊性，为保证安全，矿用电磁铁一般为本质安全型，控制电压为DC12 V，阀芯行程(2±0.06)mm，电流一般不超过200 mA。在如此小功率的条件下获得较大推力有较大难度[2]。在电磁铁性能参数中，电磁力是重要的一项考核指标。近年来，许多研究人员对电磁力进行理论分析和试验研究。魏列江等[3]建立了高速开关阀数学模型，研究了线圈匝数对电磁力的影响。黄路路等[4]采用有限元方法研究了不同安匝数对电磁铁静态特性的影响，并阐述了电磁衔铁在不同位置时的静磁场分布规律。毛乐园等[5]研究了衔铁端面与极靴端面的距离、极靴内侧锥面端部半径、衔铁锥面和极靴内侧锥面的锥角对电磁铁吸力的影响，并通过正交试验验证了仿真结果，试验结果与仿真结果相符。

上述文献就重要结构参数对电磁力的影响进行了研究。本研究按照某煤矿公司要求，在控制电压、电磁铁外形尺寸和阀芯行程不变的情况下，通过Ansys-Maxwell有限元软件分析隔磁环参数对启动电磁力的影响，得到提高启动电磁力的最优化方法，从而提高矿用液压支架的工作可靠性。

1 电磁先导阀结构及工作原理

1.1 电磁先导阀结构

电磁先导阀结构如图1所示，其中电磁铁的主要作用是控制先导阀的导通与关断，该电磁铁主要由导磁外壳、导向筒、隔磁环、阀芯组件、轭铁、线圈组件和电磁铁复位弹簧组成。电磁铁的结构参数如表1所示。

1—电磁铁外壳；2—导向筒上段；3—阀芯组件；4—隔磁环；5—线圈组件；6—导向筒下段；7—电磁铁复位弹簧；8—轭铁；9—推杆；10—杠杆；11—先导阀芯；12—先导阀复位弹簧。

表1 矿用电磁铁的结构参数

1.2 电磁先导阀的工作原理

电磁先导阀的工作原理为：当电磁铁通电时，随着电磁力的不断增加，当电磁力大于复位弹簧力时，阀芯吸合(电磁铁阀芯与推杆之间为螺纹配合连接)，推杆推动杠杆，使对侧的先导阀芯运动，先导阀芯克服弹簧力和液压力，先导阀打开；当电磁铁断电时，先导阀芯在液压力和先导阀复位弹簧力的作用下复位，电磁铁阀芯也在复位弹簧力作用下复位。

1.3 先导阀打开作用力测试

由于电磁铁的主要作用是控制先导阀启闭，因此需要对先导阀打开时的作用力进行检测，其测试试验如图2所示，首先在先导阀入口通入35 MPa的工作压力，用测力计推动先导阀芯，当先导阀入口压力下降代表先导阀导通，此时测力计上的值即为先导阀打开时作用力大小。从图2可以看出，打开先导阀需要的作用力为4.12 N。因此电磁铁的启动电磁力必须大于4.12 N。

图2 先导阀打开作用力测试试验

1.4 原电磁铁启动电磁力测试

电磁铁启动电磁力测试试验如图3所示，其中测力计和位移计固定在固定板上，固定板通过转动手轮上下移动，行程尺与固定支架连接在一起。测试开始时，使电磁铁通电吸合，然后转动手轮使固定板向下移动，当测力计探头与电磁铁推杆刚好接触(测力计示值为0，下移一点则示值不为0)，把位移计示值调0；然后电磁铁断电复位，转动手轮使固定板向下移动，观察位移计示值，当示值为(2±0.06)mm(阀芯行程)停止转动；最后给电磁铁通电，阀芯吸合，此时测力计上示值即为电磁铁启动电磁力大小。

图3 电磁铁启动电磁力测试试验

从图3的测试结果中可以看出，原电磁铁的启动电磁力为3.47 N，小于先导阀打开时的作用力，不能控制先导阀正常打开关闭，因此需要对原电磁铁进行优化改进，提高电磁铁的启动电磁力。

2 电磁铁启动电磁力有限元仿真优化

由于用户要求电磁铁的外形尺寸不变，因此在仿真优化时需要保留线圈尺寸、衔铁尺寸、阀芯行程和激励安匝数不变。通过对矿用电磁铁结构分析发现，其特殊之处在于导向筒中增加了隔磁环结构，在文献[6-7]中提到：由于隔磁环为不导磁材料，因此其结构参数对电磁铁中磁路流向、工作气隙处磁感应强度大小都有较大影响。本研究通过优化隔磁环参数使矿用电磁铁实现启动电磁力大于4.12 N的研究目标。

2.1 Ansys仿真模型

煤矿用电磁铁为轴对称结构，用二维模型就能反映三维情况。为了减少计算量，本研究采用2D轴对称模型进行磁场仿真计算[8-10]。为了分析隔磁环参数对矿用电磁铁启动电磁力的影响，建立2D轴对称模型如图4所示。

图4 矿用电磁铁仿真模型

在电磁铁仿真中，电磁铁外壳、衔铁、轭铁、导向筒上段和导向筒下段的材料为DT4，隔磁环和线圈的材料为铜；边界条件选为气球边界条件[11]，采用自适应网格划分和手动网格划分相结合的方法[12]；激励源定为电流源，线圈安匝数为380 A，求解设置中最大收敛步数为10，收敛百分比误差为1%，每步细化百分比为30%，非线性残差为0.000 1。

在原电磁铁结构中隔磁环长度h2=3.0 mm，隔磁环下端面距导向筒下端面距离h1=7.5 mm，由于线圈尺寸和衔铁尺寸须保持不变，因此优化设计时不考虑隔磁环厚度影响，仅从隔磁环长度和隔磁环位置两方面分析对启动电磁力的影响。

2.2 隔磁环长度对启动电磁力的影响分析

为了分析隔磁环长度对矿用电磁铁启动电磁力的影响，使隔磁环长度在8 mm～28 mm范围内变化，每2 mm取个点进行参数化仿真。仿真参数如表1所示，得到不同隔磁环长度下启动电磁力变化曲线如图5所示。

图5 隔磁环长度对启动电磁力的影响

从图5的仿真结果中可以看出，当隔磁环长度在8 mm～14 mm范围内变化时，随着隔磁环长度的增加，电磁铁的启动电磁力增加得比较快；而当隔磁环长度在14 mm～28 mm范围内变化时，电磁铁的启动电磁力变化不大。产生这种现象的主要原因是：当隔磁环长度在8 mm～14 mm范围内变化时，随着隔磁环长度的增加，经衔铁进入轭铁的磁力线数量增加，即主气隙磁通量增加，因此启动电磁力增加，如图6所示。而当隔磁环长度在14 mm～28 mm范围内变化时，通过主气隙的磁通量基本不变，因此启动电磁力变化不大。

图6 不同隔磁环长度气隙处磁力线分布

2.3 隔磁环位置对启动电磁力的影响分析

如图1所示，以隔磁环下端面距导向筒下端面h1=7.5 mm处作为参考零点，隔磁环向左移动为正方向，向右移动为负方向，设定隔磁环位置由-3.0 mm～+7.1 mm变化，每隔0.2 mm取个点，并以此为变量进行参数化仿真，得到启动电磁力变化曲线如图7所示。

图7 不同隔磁环位置启动电磁力变化曲线

从图7的仿真结果中可以看出，当隔磁环位置在-3.0 mm～3.0 mm范围内变化时，随着隔磁环位置的不断左移，电磁铁的启动电磁力不断增加，在3.0 mm处达到最大值14.17 N；当隔磁环继续左移，电磁铁的启动电磁力不断降低，在7.1 mm处降为3.92 N。产生这种现象的主要原因是：当隔磁环位置在-3.0 mm～3.0 mm范围内变化时，随着隔磁环位置的不断左移，气隙处的磁感应强度不断增加，因此启动电磁力不断增加，当隔磁环继续左移，气隙处的磁感应强度不断减小，因此启动电磁力不断减小。图8为隔磁环在移动过程中4个位置处的磁感应强度。从仿真结果中可以看出，当隔磁环位置左移3.0 mm时，气隙处的磁感应强度最大，因此该位置处的启动电磁力也最大。

图8 初始位置气隙磁感应强度

2.4 仿真结果分析

从上面的仿真结果可以看出：

1)当隔磁环长度在8 mm～28 mm范围内变化时，随着隔磁环长度的增加，电磁铁的启动电磁力先增大后基本不变，当隔磁环长度为14 mm时电磁铁的启动电磁力为3.51 N，仍小于目标值4.12 N，不满足先导阀打开要求；

2)当隔磁环位置在-3.0 mm～7.1 mm范围内变化时，电磁铁的启动电磁力先增大后减小，当隔磁环位置左移3.0 mm后，电磁铁的启动电磁力为14.17 N，远大于目标值4.12 N，满足先导阀打开要求；

3)因此原电磁铁最好的优化方案是将隔磁环位置左移3.0 mm。

3 试验验证

从仿真结果中可以看出，电磁铁最好的优化方案是将隔磁环位置左移3.0 mm。根据仿真结果对导向筒中隔磁环位置进行调整，优化后的导向筒结构及启动电磁力测试结果如图9所示。

图9 结构优化及启动电磁力测试试验

从图9的测试结果中可以看出，将隔磁环位置左移3.0 mm后电磁铁的启动电磁力增加为13.9 N，与仿真结果基本吻合，相比于原电磁铁启动电磁力3.47 N增加了10.4 N，远大于目标值4.12 N，满足先导阀打开要求。

4 结语

本文通过对矿用电磁铁启动电磁力仿真优化得到：

1)隔磁环参数对电磁铁的启动电磁力有重要影响；

2)在一定范围内通过增加隔磁环长度可以提高电磁铁的启动电磁力，但影响程度不大；

3)隔磁环位置对电磁铁的启动电磁力有重要影响，通过改变隔磁环位置可以提高电磁铁的启动电磁力。