基于Maxwell的螺管式電磁鐵設計分析與研究

祝 聰，余光洪, 彭振東

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基于Maxwell的螺管式電磁鐵設計分析與研究

祝 聰，余光洪, 彭振東

（武漢船用電力推進裝置研究所， 武漢 430064）

本文基于電磁場理論和Maxwell仿真軟件，分析了一種螺管式電磁鐵的靜態吸力特性和動態吸合過程，并通過實驗研究驗證了該分析的正確性。研究結果表明，對電磁鐵進行動態特性分析更接近短時工作電磁鐵的實際情況，電磁鐵吸合過程中，線圈電流先增大后減小再增大到穩定，鐵芯所受吸力一直增大到穩定狀態，但是在鐵芯完全吸合前所受吸力增大的速度小于吸合后增大的速度，鐵芯動態吸合過程中所受吸力的最終穩定值與靜態相同氣隙條件下所受吸力值相等。

Maxwell 螺管式電磁鐵 靜態特性 動態特性

0 引言

電磁鐵是一種對鐵磁物質產生吸力，將電能轉換成機械能的電器或電器部件。具有體積小、操作簡單、價格低廉、推力大、無油氣污染等優點，被廣泛應用于液壓傳動、氣壓傳動、自動控制等領域[1-4]。

對于斷路器、接觸器、繼電器等開關電器而言，電磁鐵是常用的動力元件[5-6]。電磁力設計太小，電磁鐵無法帶動操動機構，開關不能正常工作。電磁力設計過大，銜鐵完全吸合時的沖量太大，操動機構運行極限位置的沖擊變大，降低了開關的穩定性；同時開關閉合時觸頭速度變大，觸頭彈跳增加，加速了觸頭電磨損；電磁力設計增大時，整個電磁鐵的體積和重量也會相應增大，對于有空間尺寸和重量限制的開關電器而言，這種設計并不可取。由于電磁力與電磁鐵的工作氣隙不是簡單線性關系，掌握電磁鐵鐵芯運動過程中所受吸力的變化情況，對設計和分析開關觸頭的閉合時間、閉合速度以及彈跳都有著很大的意義[2,7]。

本文基于船用直流開關的螺管式電磁鐵，運用麥克斯韋電磁場理論和能量轉換原理，分析了螺管式電磁鐵的受力情況以及該電磁系統的吸合過程，并運用Maxwell軟件分析了該電磁鐵工作時的靜態和動態特性，最后通過樣機實驗驗證了該分析的正確性。

1 組成結構

圖1為該螺管式電磁鐵的組成結構示意圖。由于是直流電磁鐵，無需考慮渦流的影響，該電磁鐵的殼體、鐵芯和端蓋都是由導磁材料碳素結構鋼（牌號：Q235-A）做成[8]，以便給線圈通電時形成磁場回路。擋塊是由不導磁材料鋁（牌號：LY12）做成，限制了鐵芯的最大工作行程。插銷、彈簧蓋是固定彈簧用，方便拆卸，而彈簧則用于電磁鐵吸合時儲能以及釋放時鐵芯復位。推桿和推桿頭也是用不導磁材料不銹鋼（牌號：1Cr18Ni9Ti）做成，用于與其他機構相連。由具有一定自潤滑性能的塑料（牌號：PA66）做的線圈骨架固定在殼體中，而線圈纏繞在線圈骨架中。給線圈通電時，鐵芯在磁場的作用下吸合，彈簧被壓縮；當給線圈斷電后，鐵芯又在彈簧力的作用下復位到初始位置。

圖1 螺管式電磁鐵的結構組成

圖2 電磁鐵理論分析示意圖

2 理論分析

該螺管式電磁鐵的吸力模型分析如圖2。

忽略鐵芯和非工作氣隙的磁壓降，如圖2（a）所示，鐵芯與殼體之間的磁壓降為[9]

——磁路總磁勢

則在鐵芯處的總磁通為

同理在殼體上凸出來與鐵芯相對的圓柱體中處的總磁通為

因此，該螺管式電磁鐵系統的磁鏈為

該螺管式電磁鐵的電壓平衡方程分析如下：

如圖2（b）所示，線圈可以等效成一個電阻和電感，從電磁上來分析，該回路存在以下電壓平衡方程[10]：

—線圈等效電感，—線圈等效電阻

—鐵芯運動速度

2.1 電磁鐵靜磁場分析

如圖1所示建立電磁鐵模型，利用Maxwell 16.0對該螺管式電磁鐵進行靜磁場分析。由于靜力分析時彈簧力是線性變化的，所以本文是在沒有彈簧力作用下對該電磁鐵進行靜磁場分析。而導磁材料Q235-A的B-H參數是非線性的，與材料的成分和制作工藝有關，目前很少有廠家測量自己生產的Q235-A材料的B-H參數。本文分析時采用軟件自帶的Steel1008的參數代替Q235-A的參數，最終分析結果如圖3所示（本文中鐵芯位移與電磁鐵氣隙相同）。由圖可知，隨著氣隙的減小，鐵芯所受的吸力呈指數增加。而加在線圈兩端的電壓越大，鐵芯所受的吸力也越大，并且隨著氣隙的減小，電壓對鐵芯吸力的影響越大。在實際設計時則需要著重考慮電磁鐵在剛開始運動以及運動過程中阻力最大點時鐵芯的吸力是否大于機構阻力。

圖3 電磁鐵靜態分析結果

2.2 電磁鐵瞬態運動分析

根據靜態分析的模型，分析該電磁鐵在不同電壓下的動態特性，結果如圖4所示。圖4（c）為鐵芯運動過程中位移與時間的關系，由圖可知鐵芯在第5ms左右才開始運動，這是由于剛開始鐵芯要克服自身重力等阻力導致的。當鐵芯運動時，線圈中的電流先增大，后減小，當完全吸合時電流在減小的凹谷上，假如此時仍然給線圈通電，線圈電流將繼續增大，直到穩定，如圖4（a）所示，這是由于反電動勢導致的。根據電壓平衡方程（8）可知，反電動勢跟鐵芯的運動速度有關，剛開始時，鐵芯運動速度小，反電動勢小，線圈電流在電感的影響下緩慢上升，當鐵芯速度增大到一定值時，反電動勢占主導，此時線圈電流開始減小，鐵芯速度越快，線圈電流越小，當鐵芯完全吸合前瞬間，鐵芯速度達到最大，線圈電流減小到該峰最低點處，而鐵芯完全吸合后，鐵芯速度變成零，反電動勢消失，線圈電流在電感影響下又緩慢上升直到平衡。如圖4（b）所示，鐵芯所受的吸力則是一直保持增大，當線圈電流穩定后鐵芯吸力也達到平衡，只是在鐵芯吸合前，由于反電動勢的影響，鐵芯所受吸力增大的速度比吸合后慢。對比圖3和圖4還可以知道在相同氣隙條件下，鐵芯動態所受到的吸力小于靜態分析結果，這主要是由于鐵芯運動過程中反電動勢的影響。短時工作的電磁鐵實際工況主要是鐵芯的運動過程，了解電磁鐵動態特性對設計該類電磁鐵十分重要。

圖4 電磁鐵動態分析結果

3 實驗研究

按照圖1的結構加工物理樣機并進行實驗，如圖5所示。圖5（a）為電磁鐵鐵芯靜態吸力測試現場照片，給電磁鐵線圈加電后，直接用測力器（儀器：電子拉力試驗機Ay-5）測量鐵芯的吸力。由于直接測量鐵芯運動過程中的吸力比較困難，本文通過測量鐵芯吸合過程中線圈電流的變化來分析電磁鐵的動態特性，測量方法如圖5（b）所示，當給電磁鐵線圈加電壓時，用數據采集系統和分流器來檢測線圈中電流的變化情況，并通過12V的輔助回路來檢測鐵芯開始運動和吸合到位的時間。

3.1 鐵芯靜態吸力特性

如圖6所示為該電磁鐵鐵芯靜態吸力實驗結果。由于實驗條件限制，本實驗所用測力器一次只能連續自動測量10個數據，并且每次測量都必須緩慢進行，因此必須給電磁鐵通電一段時間，而本文所涉及的電磁鐵是短時工作制的，即電磁鐵鐵芯吸合后必須立刻斷電，否則電磁鐵會嚴重發熱，并可能導致線圈燒壞。因此，為了避免線圈燒壞，本文只進行160 V低電壓實驗，而且只測量氣隙1~10 mm之間鐵芯的吸力（鐵芯位移等同于磁鐵氣隙）。從圖6可以看出當氣隙較大時，實驗結果與仿真結果相近，但仍然有一定差別，并且隨著氣隙的減小，實驗結果與仿真結果差別增大。分析原因有兩方面：一方面是實驗材料的B-H參數與實際材料參數不同導致；另一方面則是實驗時隨著氣隙減小，通電時間變長，線圈溫度上升導致的，而仿真沒有考慮溫度的影響。

圖6 電磁鐵靜態吸力實驗結果

3.2 電磁鐵動態特性

圖7為電磁鐵動態特性實驗結果，其中圖7（a）為鐵芯運動過程中線圈電流的變化情況，圖7（b）為相應的輔助信號采集結果。從圖中可以知道當鐵芯剛開始運動時，線圈電流大于零，鐵芯在運動過程中，線圈電流先增大后減小，當線圈電流減小到凹谷時，鐵芯完全吸合，然后線圈電流再次增大直到穩定，這與前面仿真分析結果完全一致。圖7（b）中的電壓信號在鐵芯吸合后出現多次跳動，這是由于鐵芯吸合撞擊殼體底部出現多次彈跳造成的。

圖7 電磁鐵動態特性測試結果

4 結論

本文結合電磁鐵仿真計算與樣機實驗，分析了電磁鐵鐵芯的靜態吸力與動態吸合特性，結論如下：

1） 電磁鐵鐵芯的吸力隨著氣隙的減小呈指數增大，并且電磁鐵在吸合過程中，由于反電動勢等因素的影響鐵芯所受到的瞬時吸力小于相同氣隙靜態吸力；

2） 電磁鐵在吸合過程中，線圈的電流先增大后減小，當線圈電流減小到凹谷時鐵芯完全吸合，鐵芯吸合后線圈電流繼續增大直到穩定；

3） 電磁鐵吸合過程中鐵芯所受的吸力逐漸增大直到穩定，在鐵芯完全吸合后所受到的吸力增大的速度比完全吸合前增大速度大，穩定狀態時鐵芯所受的吸力與靜態分析相同氣隙條件下所受吸力值相同。

目前，本文的研究還停留在如何獲取電磁鐵的靜態吸力特性和動態吸合特性，后續可以著重研究如何改變電磁鐵的動態線圈電流特性以及獲得所需要的特性曲線。

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Analysis and Research on Solenoid Electromagnet Based on Maxwell

Zhu Cong, Yu Guanghong, Peng Zhendong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM574

A

1003-4862（2017）12-0076-05

2017-09-15

祝聰（1989-），男，助理工程師。研究方向：開關電器設備、超聲振動裝置。E-mail: zcongtnt@163.com