磁回復高速開關(guān)電磁鐵仿真分析

李 威，胡旭東，李其朋

（1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018；2.浙江科技學院 機械與汽車工程學院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

近年來，由于人們對高頻響、抗污染能力強、成本低廉的電液控制系統(tǒng)的新需求，傳統(tǒng)的開關(guān)閥換向頻率低和電液伺服閥抗污能力差、價格昂貴等不足已經(jīng)越來越不能滿足人們的要求。而高速開關(guān)閥具有能耗低、對污染不敏感、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、工作精度較好、響應速度較高等特點，而且高速開關(guān)閥可與計算機直接相連，以完成對被控對象的控制任務。在汽車、工程機械和農(nóng)業(yè)機械等諸多領(lǐng)域，高速開關(guān)閥都已經(jīng)被廣泛應用。高速開關(guān)電磁鐵是高速電磁開關(guān)閥的關(guān)鍵驅(qū)動部件，其性能直接決定了液壓閥及系統(tǒng)的工作特性[1-9]。因此，高速開關(guān)電磁鐵成為了國內(nèi)外的研究熱點。

但是，目前的高速開關(guān)電磁鐵多由彈簧機構(gòu)回復。彈簧在服役過程中，疲勞破壞可造成高速開關(guān)電磁鐵失效，輕則引起機械失控，重則可引起重大事故，造成人員傷亡[10-12]。故本研究提出一種磁回復機構(gòu)代替彈簧機構(gòu)，并對磁回復高速開關(guān)電磁鐵進行仿真，探討磁回復機構(gòu)對其靜態(tài)特性的影響。

1 結(jié)構(gòu)與原理

磁回復高速開關(guān)電磁鐵如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)由銜鐵、擋塊、外殼、線圈、推桿、端蓋、環(huán)形永磁體等組成。銜鐵在導磁套內(nèi)可自由移動，銜鐵移動帶動推桿輸出位移。隔磁片的作用是使線圈產(chǎn)生的磁場回路和環(huán)形永磁體產(chǎn)生的永磁場回路相對獨立，避免互相干擾。在端蓋上有一環(huán)形槽，環(huán)形槽中有一環(huán)形永磁體。環(huán)形永磁體采用高性能的釹鐵硼稀土永磁材料，環(huán)形永磁體的作用是提供永磁回復力，使銜鐵復位。

圖1 磁回復高速開關(guān)電磁鐵結(jié)構(gòu)

磁回復高速開關(guān)電磁鐵的工作原理如圖2 所示。當線圈未通電時，僅有環(huán)形永磁體產(chǎn)生的極化磁場，形成磁路Φ1和Φ2，在永磁力的作用下，銜鐵帶動推桿向右運動，直至撞上端蓋；當線圈通入一定極性的電流時，線圈產(chǎn)生的控制磁通建立控制磁路，控制磁路經(jīng)過工作氣隙產(chǎn)生電磁力，以克服永磁吸力并向左運動，直至撞到限位片。

圖2 磁回復型高速開關(guān)電磁鐵工作原理示意圖

2 仿 真

2.1 仿真建模

本研究在有限元仿真軟件Ansoft/Maxwell 中建立了磁回復型高速開關(guān)電磁鐵仿真模型。由于磁回復高速開關(guān)電磁鐵為軸對稱結(jié)構(gòu)，筆者建立的仿真模型取一半的結(jié)構(gòu)，可節(jié)省計算仿真時間，且不影響精度。

本研究在Ansoft/Maxwell 中設(shè)置模型的材料。銜鐵、擋塊、外殼、法蘭、導磁片等由導磁材料純鐵DT4制成，它的磁化曲線如圖3 所示。隔磁片、隔磁套由非導磁材料銅或鋁制成。環(huán)形永磁體由釹鐵硼稀土永磁材料制成，水平磁化。

圖3 純鐵磁化曲線

在有限元軟件中，網(wǎng)格劃分關(guān)系到計算精度以及計算時間。在Ansoft/Maxwell 中，本研究對磁回復高速開關(guān)電磁鐵模型采用三角形網(wǎng)格劃分，并對銜鐵端部、環(huán)形永磁體及工作氣隙等關(guān)鍵部位進行了網(wǎng)格加密，網(wǎng)格劃分圖如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

在Ansoft/Maxwell 中，本研究選擇求解域的邊為氣球邊界，選擇中心軸線為對稱邊界。設(shè)置環(huán)形永磁體長度、深V 槽深度和寬度、銜鐵上的沉孔深度等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)作為求解的參數(shù)變量，并添加求解設(shè)置，運行軟件求解。

2.2 參數(shù)分析

磁回復高速開關(guān)電磁鐵主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2 所示，有環(huán)形永磁體長度、深V 槽深度和寬度、銜鐵上的沉孔深度。

基于如圖1 所示結(jié)構(gòu)的磁回復高速開關(guān)電磁鐵，通過改變上述結(jié)構(gòu)參數(shù)，筆者對模型的靜態(tài)特性進行了仿真分析。由于銜鐵靠近環(huán)形永磁體0.2mm 后，永磁力急劇增大，呈非線性增長。為了使銜鐵在回復行程中受力呈線性化，本研究在分析時取銜鐵和環(huán)形永磁體之間的距離為0。磁回復高速開關(guān)電磁鐵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對銜鐵受力影響圖如圖5 所示。仿真結(jié)果表明：

（1）如圖5（a）所示，在無激勵源時，當環(huán)形永磁體的長度變長時，銜鐵受到的永磁力也相應增加，當環(huán)形永磁體長度增長到5 mm 后再繼續(xù)增長時，銜鐵受到的永磁力變化則趨于平緩。

其原因為：當環(huán)形永磁體長度增加時，相當于磁體體積增大，銜鐵受力變大；當環(huán)形永磁體長度增長到5 mm 后再繼續(xù)增長時，通過銜鐵的磁通量不再增加，銜鐵受到的永磁力趨于平緩。

（2）如圖5（b）所示，深V 槽的深度增加，銜鐵受到的永磁力也增大，當深度增加到10mm 后再繼續(xù)增加時，銜鐵受到的永磁力則增加緩慢，趨于平緩。

其原因為：當深V 槽的深度增加，磁路Φ2 不經(jīng)過工作氣隙的漏磁減少，銜鐵受到的永磁力增加；當深V槽的深度增加到10mm 后再繼續(xù)增加時，由于磁路Φ2不經(jīng)過工作氣隙的漏磁不再減少，所以銜鐵受到的永磁力不再增加。

（3）如圖5（c）所示，深V 槽的寬度增加，銜鐵受力增加，當槽寬增加到4mm 后再繼續(xù)增加時，則銜鐵受力趨于平緩。

圖5 磁回復高速開關(guān)電磁鐵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對銜鐵受力影響圖

其原因為：深V 槽槽寬增加，磁路Φ2 的漏磁減少，致使銜鐵受力增加；當深V 槽槽寬增加到4 mm 后再繼續(xù)增加時，由于磁路Φ2的漏磁不再減少，則銜鐵受力趨于平緩。

（4）沉孔內(nèi)徑遠小于環(huán)形永磁體內(nèi)徑時，沉孔深度增加對磁路Φ1和Φ2 不大；當沉孔內(nèi)徑與環(huán)形永磁體內(nèi)徑相同時，如圖5（d）所示，沉孔深度增加，銜鐵受力減少，當沉孔深度增加到1 mm 后再繼續(xù)增加時，銜鐵受力則趨于平緩。

其原因為：沉孔深度增加，磁路Φ1磁阻增加，致使銜鐵受力減?。划敵量咨疃仍黾拥? mm 后再繼續(xù)增加時，磁路Φ1中一部分磁路改變路徑，不再通過沉孔，銜鐵受力不再減少。

3 結(jié)束語

本研究提出了一種基于磁彈簧的高速開關(guān)電磁鐵結(jié)構(gòu)，并就其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了仿真分析。

仿真結(jié)果表明：永磁體長度、深V 槽深度和寬度增加，銜鐵受力增加，當增加至一定值后，銜鐵受力趨于飽和；沉孔深度增加，銜鐵受力減少，當增加至一定值后，銜鐵受力趨于平緩。筆者綜合考慮整段行程中銜鐵的受力情況以及制造和裝配情況，當環(huán)形永磁體長5 mm，深V 槽深10 mm，寬4 mm，沉孔深2 mm 時，推桿輸出特性良好。

（References）：

[1]FANG P，DING F，LIQ P，etal.High-response electromag?netic actuator with twisting axis for gravure system[J].IEEE Transactions on M agnetics，2009，45（1）：172-176.

[2]KIM J，CHANG JH.A new electromagnetic linear actuator for quick latching[J].IEEE Transactions on Magnetics，2007，43（4）：1849-1852.

[3]向 忠，陶國良，謝建蔚，等.氣動高速開關(guān)閥動態(tài)壓力特性仿真與試驗研究[J].浙江大學學報：工學版，2008，42（5）：845-849.

[4]滿 軍，丁 凡，李 勇，等.耐高壓大行程高速開關(guān)電磁鐵的動態(tài)特性[J].煤炭學報，2010，35（5）：871-875.

[5]孟愛華，項占琴，呂福在.微型超磁致伸縮高速閥致動器的優(yōu)化設(shè)計[J].浙江大學學報：工學版，2006，40（2）：216-220.

[6]李 勇，丁 凡，李其朋，等.低功耗耐高壓雙向線性力馬達靜態(tài)力特性研究[J].浙江大學學報：工學版，2009，43（1）：135-137.

[7]崔 劍，丁 凡，李其朋.耐高壓雙向旋轉(zhuǎn)比例電磁鐵的靜態(tài)力矩特性[J].浙江大學學報：工學版，2007，41（9）：1578-1581.

[8]滿 軍，丁 凡，李其朋，等.永磁屏蔽式耐高壓高速開關(guān)電磁鐵[J].浙江大學學報：工學版，2012，46（2）：309-314.

[9]施光林，鐘廷修.高速電磁開關(guān)閥的研究與應用[J].機床與液壓，2001（2）：7-9.

[10]田玉坤，陳志海.一種新型變壓器用爆破式壓力釋放閥[J].變壓器，2002（5）：47-48.

[11]方斯地，彭 偉，章巧芳，等.電動噴槍電磁鐵動態(tài)特性仿真與實驗研究[J].輕工機械，2011，29（3）：18-21.

[12]譚宗柒.液壓挖掘機限速閥復位彈簧的失效故障分析[J].工程機械，1995（7）：33-35.