雙向轉(zhuǎn)角電磁鐵輸出扭矩特性仿真分析

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摘 要：基于電磁場(chǎng)有限元仿真，探討了雙向轉(zhuǎn)角電磁鐵的工作機(jī)理，分析了其輸出扭矩特性。針對(duì)工業(yè)應(yīng)用中，雙向轉(zhuǎn)角電磁鐵在0°位置啟動(dòng)時(shí)，需要較大啟動(dòng)電流，且在0°～90°范圍內(nèi)提供的輸出扭矩較小，為了獲得較大輸出扭矩，確定最佳工作區(qū)，采用電磁場(chǎng)有限元分析軟件Maxwell 2D/3D，對(duì)不同安匝數(shù)的雙向轉(zhuǎn)角電磁鐵進(jìn)行瞬態(tài)仿真計(jì)算，得到電磁鐵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180°過(guò)程中各角度的磁場(chǎng)分布以及輸出扭矩，探討了其實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)的工作機(jī)理。仿真結(jié)果表明：雙向轉(zhuǎn)角電磁鐵的最佳工作區(qū)在40°～140°之間，輸出扭矩會(huì)隨著線圈安匝數(shù)的增多而增大。該仿真結(jié)果為雙向轉(zhuǎn)角電磁鐵的工業(yè)應(yīng)用提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：雙向轉(zhuǎn)角電磁鐵； 有限元分析； 最佳工作區(qū)； 輸出扭矩； 安匝數(shù)

0 引 言

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電磁鐵應(yīng)用于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，但是其只能實(shí)現(xiàn)固定方向的運(yùn)動(dòng)，且其輸出扭矩較小，不能滿足工業(yè)中雙向運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。雙向轉(zhuǎn)角電磁鐵通過(guò)正、反向電流實(shí)現(xiàn)正反向旋轉(zhuǎn)，斷電后，電磁鐵轉(zhuǎn)子能保持在行程起始位置與終止位置，并且電磁鐵正反轉(zhuǎn)具有相同的輸出扭矩。雙向轉(zhuǎn)角電磁鐵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、輸出扭矩大、雙穩(wěn)態(tài)的特點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用于需要實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，例如：開(kāi)關(guān)器件、液壓閥等。

Ansys公司的Maxwell 2D/3D是一個(gè)功能強(qiáng)大、結(jié)果精確、易于二維/三維電磁場(chǎng)有限元分析軟件，可以用來(lái)分析電磁裝置的靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)等特性。瞬態(tài)仿真分析可以求解電壓、電流源激勵(lì)為非正弦情況，或者模型中存在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的情況[1]。本文采用Maxwell 2D/3D的二維瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真，對(duì)雙向轉(zhuǎn)角電磁鐵的輸出扭矩進(jìn)行分析，探討了電磁鐵的工作機(jī)理，確定了最佳工作區(qū)，并且考慮了線圈安匝數(shù)對(duì)輸出扭矩的影響。