基于ANSYS 的電磁鐵仿真分析及其實驗驗證

劉燦輝，黃麗容

(1．廣東威靈電機制造有限公司，廣東 佛山528311;2．華南理工大學 電力工程技術研究開發中心，廣東 廣州510640)

0 引 言

電磁鐵是一個帶有鐵心的通電螺線管，其本身磁性的有無，可以通過通斷電流來控制;各類小型精密電磁鐵及電磁鐵應用組件，作為自動控制系統的執行器件，已被廣泛應用于工業自動化控制設備、醫療器械、包裝機械等個不同領域。

國內外在電磁鐵的建模仿真方面做了大量的研究，運用有限元方法建立電磁鐵模型，對電磁鐵內部磁場分布情況以及結構進行了深入分析，建立的模型可用于電磁鐵的優化設計分析。國外已經可以利用仿真軟件和計算程序來精確計算電磁鐵的輸出特性，國內在這方面與國外相比還存在一定差別，但也作了相當多的研究。

本文所研究的電磁鐵主要用于小型高精密醫療器械的電磁扣合上，由于安裝尺寸的限制，需在保證電磁鐵外形尺寸不發生改變的情況下，對其內部鐵心結構進行優化，以增大其電磁吸力，確保器械使用時的安全性。

1 電磁鐵結構及相關參數

1.1 電磁鐵結構

所研究的電磁鐵的主要結構如圖1 所示。該電磁鐵主要由鐵心、線圈、金屬外殼以及固定板所組成。鐵心材料采用高純度的電工純鐵DT4，鐵心外部采用塑料包膠處理，線圈與鐵心通過塑料包膠相隔開，金屬外殼采用鍍錫鐵薄板。

圖1 電磁鐵結構圖

1.2 電磁鐵主要參數

電磁鐵的主要參數為:線圈勵磁電壓12 V，匝數約為4 750，外圍空氣的磁導率為1．256 ×10-6H/m，金屬外殼相對于空氣的磁導率為1 000，鐵心材料DT4 的B-H 性能參數及B-H 曲線如圖2所示。

圖2 DT4 的性能B-H 參數及B-H 曲線

2 電磁鐵有限元仿真分析

2.1 原電磁鐵結構的仿真分析

根據原電磁鐵的實際結構建立二維有限元模型如圖3，建模所采用單元為plane55 單元，為了更加真實地反映實際環境，在模型的四周均建立外圍空氣場以及無限場邊界，無限邊界采用infin9 單元，總的單元數為12 589 個，總的節點數為37 159個。

圖3 原電磁鐵結構的有限元模型

對以上原電磁鐵結構的有限元模型進行加載及邊界條件設定后，計算分析得出如圖4 所示的原電磁鐵結構的磁力線分布圖。

把鐵心單元單獨取出來進行研究，從圖5 鐵心的磁感應強度矢量圖可以看出，在鐵心內部磁感應強度方向表現為從鐵心下端流向上端，靠近線圈位置的磁感較密集。通過測量局部放大的鐵心上表面單元可以得出鐵心上表面的平均磁感應強度約為861．6 Gs。

圖4 原電磁鐵結構的磁力線分布圖

圖5 原電磁鐵的鐵心磁感應強度矢量圖

2.2 修改電磁鐵結構后的仿真分析

把電磁鐵的鐵心上端修改成圖6 的結構，結構修改后所得到的二維有限元模型如圖7 所示。

圖6 鐵心上端修改結構尺寸圖

圖7 修改結構后的電磁鐵有限元模型

在同樣的材料及約束條件下，計算得出修改結構后的鐵心上表面的磁力線分布如圖8 所示。

圖8 修改結構后鐵心上表面的磁力線分布

從圖9 的修改結構后鐵心磁感應強度矢量圖可以得出鐵心上表面的平均磁感應強度約為902．6。

圖9 修改結構后鐵心磁感應強度矢量圖

3 實驗驗證

該實驗主要是測定在給線圈輸入12 V 電壓時電磁鐵鐵心上表面的磁感應強度值。實驗所用到的測試儀(日本強力牌高斯計)和電磁鐵實物如圖10 所示。

圖10 測量用高斯計和電磁鐵實物

測量時讓電磁鐵一直通電約10 min，讓線圈的溫度升高到均衡，分別多次測量原結構和修改結構后電磁鐵鐵心表面的磁感應強度，并記錄下相關測試數據，表1 所示。

把實測均值與有限元仿真值進行對比，得出表2 所示的對比數據，從對比數據可以看出，兩個樣品的實測值與仿真值的誤差均在5% 以內，這在工程上是可以接受的。

表1 電磁鐵實物測量數據

表2 電磁鐵實物測量數據與仿真數據對比

4 結論

本文利用ANSYS 有限元軟件對電磁鐵進行結構優化，使結構修改后的電磁鐵鐵心的性能比原結構提高約5．7%，依據優化結果制作出對應的電磁鐵樣品，并通過實驗測試對仿真結果進行了對比驗證，證實了仿真的可行有效性。

ANSYS 有限元電磁仿真是基于設計模型的仿真，其計算結果非常接近實測值，能最大限度地縮短開發周期、減少開發成本，對工程技術人員具有很高的實用及參考價值。

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