比例電磁鐵的有限元磁力分析

張倫威，許益民

(武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢430081)

有很多影響比例電磁鐵位移力特性的因素，作者選擇不同的鐵芯長度、線圈位置、隔磁角角度和銜鐵形狀等因素，依據靜態電磁場數值計算原理，在有限元軟件ANSYS 中建立了比例電磁鐵的物理模型，并對改變結構參數后的模型進行了仿真和分析。結果表明，這些因素對比例電磁鐵位移力特性的影響程度各不相同，據此可以獲得優化位移力特性的方法。

1 電磁力產生原理

電磁鐵線圈通有自由電流時，將產生磁場Hs，因為場域內存在鐵磁材料，鐵磁材料被磁化后，會產生磁化電流Im，磁化電流同自由電流一樣，同樣適用于畢奧薩伐爾定律，磁化電流將產生磁化磁場Hm。在空間中任一點的磁場強度是電流源部分產生磁場Hs和磁化磁場Hm兩部分的疊加。

磁場作用在物體上的磁場力可以由以下積分公式求出，即:

式中:B 為磁感應強度。

由上述公式可見，磁力大小與變量磁感應強度B有關，B 的改變會引起磁力大小的改變。作者主要是從改變磁感應強度的疏密程度和方向，以及磁路磁阻對比例電磁鐵進行仿真分析。

2 比例電磁鐵的結構仿真及分析

電磁鐵結構較為復雜，影響電磁鐵性能的因素很多，作者主要分析了電磁鐵銜鐵端面形狀、鐵芯長度和線圈位置對電磁鐵磁力的影響。

2.1 電磁鐵銜鐵端面形狀對電磁力的影響

作為電磁鐵的力輸出元件，銜鐵的結構對電磁鐵的性能有著很重要的作用。文中通過改變其端面形狀，在銜鐵左端面切去角度為β 的環形楔形塊。切去角度為β 的環形部分如圖1 所示(β 分別取0°，20°，30°，40°，50°)，獲得了不同形狀下的位移力特性，如圖2 所示。可知:隨著角度的增大，起始的磁力變大，但是，水平的位移力特性也變差了，在β =50°時位移力曲線是一條斜直線，不具有水平力特性。根據鐵磁材料特性可以知道，銜鐵的磁阻率比空氣的磁阻率高。在切去角度β 后，由隔磁環左側過來的磁力線大部分通過了磁阻率低的切去部分，而不是通過銜鐵，產生了很大的磁漏效應。當切去角度β 變大時，產生的磁漏也會越來越大，從而影響了磁感應強度B。

圖1 銜鐵改變后的側面形狀

圖2 端面形狀對位移力特性的影響

2.2 鐵芯長度對磁力的影響

鐵芯的長度直接影響到軸向工作氣隙的大小，由于電磁鐵磁場的大部分能量儲存在工作氣隙中，改變鐵芯的長度一定會影響到工作氣隙中的磁力線分布，影響磁感應強度B 的大小和方向。同時，鐵芯長度改變后，會降低比例電磁鐵中特殊磁路的磁阻，作者主要對鐵芯長度做了改變，在鐵芯右端切去長度為L的環形部分 (L 分別取0，0.2，0.5，1，1.5，2.0 mm)，在不同的的長度下獲得了位移力特性，鐵芯示意圖如圖3 所示，仿真結果如圖4 所示。可知:在切去長度取1 mm 時，可以獲得較好的位移力特性。

圖3 鐵芯示意圖(圖中涂黑處為切去長度L 的環形部分)

圖4 不同鐵芯長度時的位移力特性圖

2.3 線圈位置對磁力的影響

線圈作為電流源，當電流一定時，將產生磁場。線圈位置的不同將影響導套內磁力線的分布，磁感應強度受磁力線疏密程度的影響，從而影響作用在銜鐵上的作用力。作者通過將線圈水平向右移動距離L1(示意圖如圖5 所示)，改變線圈位置進行分析。文中L1分別取0，0.25，0.5，1 mm 做了仿真和分析，仿真結果如圖6 所示。可知:取L1=0 時的位移力特性較好。可知:當線圈靠近吸合面位置時，可以獲得較好的電磁力。

圖5 線圈位置示意圖

圖6 不同線圈位置時的位移力特性圖

3 結論

通過ANSYS 軟件建立了比例電磁鐵的模型，并對比例電磁鐵的部分結構參數進行了仿真和分析。分析結果表明:在銜鐵切除角度β 為0°時，獲得的力特性較好。電磁原理分析表明:電磁鐵銜鐵的端面與導套的徑向氣隙越小，產生的漏磁效應越小，所獲得的磁力較好，線圈位置靠近吸合面時獲得的位移力特性較好;鐵芯切去長度為1 mm 時，可以獲得較好的水平位移力特性。通過文中分析可以知道，影響電磁鐵磁力的因素主要是工作氣隙周圍的元件(隔磁環，鐵芯，銜鐵，導套)，要改善比例電磁鐵的性能，可以通過改變這些元件的結構參數，從而獲得優化的位移力特性。

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