基于ANSYS和AMESim的螺管電磁鐵吸力仿真研究

王宗偉，任志彬，常志鵬，劉建設，崔鵬飛

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基于ANSYS和AMESim的螺管電磁鐵吸力仿真研究

王宗偉，任志彬，常志鵬，劉建設，崔鵬飛

（空間物理重點實驗室，北京，100076）

對常開式螺管電磁鐵，分別采用有限元軟件ANSYS、系統參數仿真軟件AMESim對螺管電磁鐵通電工作時的電磁場分布、磁感應強度分布以及電磁鐵的吸力特性進行仿真計算，得到電磁吸力隨源電壓的變化曲線及電磁吸力隨工作氣隙的變化曲線，同時將仿真分析結果與吸力試驗實測結果進行了對比分析。分析結果表明：ANSYS和AMESim的仿真結果與試驗實測值基本一致，均可實現對電磁鐵吸力特性的可靠分析，而AMESim的優勢在于對電磁鐵性能的快速評估，進而縮短設計周期。

螺管電磁鐵；電磁吸力；仿真分析

0 引 言

在運載火箭/導彈/航天器動力系統中，電磁閥的主要作用是通過通電、斷電的工作模式，實現流體通路的開啟和關閉。其典型應用包括增壓輸送系統中控制高壓氣體對貯箱增壓，姿控發動機中控制推進劑流動以實現發動機啟動和關機，或控制其它氣動閥實現各種程序動作[1,2]。應用在液體軌姿控推進系統中的電磁閥一般為螺管式電磁閥，主要由閥體、閥芯、線圈、圓柱彈簧以及蝶形彈簧等組成[3]。螺管電磁鐵作為電磁閥的驅動器，其作用是在擋鐵和閥芯之間產生電磁吸力，進而控制電磁閥的打開和關閉，其性能對整個電磁閥的特性有重要的影響。電磁吸力是電磁閥的重要指標之一，無論是穩態控制精度和動態響應性能，還是抗干擾能力或工作可靠性都在很大程度上取決于電磁鐵的吸力特性的綜合性能[4]。相關行業內對電磁閥的電磁吸力一般采用工程算法進行計算分析，采用有限元軟件或AMESim系統仿真軟件對電磁吸力特性進行研究并不十分廣泛。龐末紅等利用電磁有限元軟件Ansoft Maxwell對電磁鐵的靜特性和動特性進行仿真計算，得出磁感應強度、磁力線分布圖和靜磁場下的吸力特性曲線[5]；婁路亮對計算直流螺線管式電磁鐵電磁吸力的經驗公式法、磁路分割法和有限元方法進行了對比，分析了3種方法的計算難易程度、計算精度等[6]。

本文針對一種常開式螺管電磁鐵，利用ANSYS有限元分析軟件和AMESim系統參數仿真軟件對其靜特性進行仿真分析，得到電磁鐵的磁感應強度、磁力線分布和吸力特性曲線，并將仿真結果與試驗實測值進行了對比分析。

1 電磁鐵結構及方案設計

螺管電磁鐵主要由殼體、線圈、擋鐵、銜鐵和套筒組成，其中殼體為電工純鐵DT4，擋鐵、銜鐵材料為軟磁合金1J50，套筒材料為不銹鋼，其結構示意圖如圖1所示。本文采用常開式螺管電磁鐵方案，其工作原理為：電磁鐵通電時，線圈組件與銜鐵組成磁路產生的吸力使銜鐵向上運動，電磁閥進氣通道打開；電磁鐵斷電時，線圈組件與銜鐵組成磁路產生的吸力消失，銜鐵在副彈簧力的作用下向下運動，電磁閥進氣通道關閉。

圖1 螺管電磁鐵結構示意

根據電磁場原理，計算室溫下電磁吸力的Maxwell公式如下[7~9]：

考慮到電磁鐵的實際結構，引入相關設計系數，推導得到如下電磁吸力計算公式：

式中M為側向吸力摩擦力系數，無量綱；為電源電壓，V；CT為磁勢降系數，無量綱；20為20 ℃時線圈電阻，Ω；為線圈匝數，匝；0為真空磁導率，0=4π×10-7H/m；1為銜鐵半徑，mm；0為銜鐵中心孔半徑，mm；K為工作氣隙，mm。

電磁鐵電磁吸力的設計值為121N，根據式（2）對電磁鐵結構參數進行計算并開展結構設計。

2 電磁鐵的仿真計算

為了研究螺管電磁鐵通電工作時的電磁場分布、磁感應強度分布以及電磁鐵的吸力特性，分別采用有限元軟件ANSYS和系統仿真軟件AMESim對電磁鐵進行仿真計算。

2.1 有限元軟件仿真

利用ANSYS軟件對螺管電磁鐵靜態電磁力進行仿真計算[10~12]，并按照下列步驟建模仿真：

a）定義單元類型，包括兩種不同自由度的PLANE53單元，均為軸對稱。

b）為自由度為AZ CURR的PLANE53單元定義實常數，包括線圈截面積、線圈匝數、線圈充填系數等。

c）定義材料屬性，其中空氣、線圈與套筒為不導磁材料，殼體、擋鐵和銜鐵為導磁材料，電工純鐵DT4和軟磁合金1J50的-曲線如圖2所示。

a）電工純鐵DT4

b）軟磁合金1J50

圖2 材料的曲線

d）按照設計方案的結構參數建立幾何模型，該電磁鐵為軸對稱結構，故建立電磁鐵的二維軸對稱模型，具體結構如圖3所示。

e）為各面域賦予不同材料并指定單元類型。

f）劃分四邊形網格，網格結構如圖4所示。

圖3 幾何模型

圖4 二維網格模型

g）將銜鐵單元定義為組件，并施加磁力邊界條件。

h）將線圈單元定義為組件，對其節點耦合電流自由度，并對單元施加電壓激勵。

i）對模型的外部節點施加磁力線平行邊界條件。

j）運行穩態仿真。

根據仿真計算，當工作氣隙為0.75 mm、源電壓為24 V時，計算得到螺管電磁鐵的磁力線和磁感應強度分布如圖5所示。

a）磁力線

b）磁感應強度

圖5 磁力線和磁感應強度分布

采用相同的計算方法，對工作氣隙為0.75 mm時不同源電壓下的電磁吸力和對源電壓為24 V時不同工作氣隙下的電磁吸力分別計算，得到電磁鐵吸力隨源電壓的變化曲線如圖6所示，電磁鐵吸力隨工作氣隙的變化曲線如圖7所示。

圖6 吸力隨源電壓的變化

圖7 吸力隨工作氣隙的變化

2.2 系統參數仿真

AMESim是基于鍵合圖的液壓/機械系統建模、仿真及動力學分析軟件。本文使用AMESim軟件對電磁鐵的性能進行仿真計算[13~15]。利用軟件提供的相關庫中的元件搭建電磁鐵的仿真模型，具體仿真模型如圖8所示。根據設計方案為各元件賦予不同導磁材料屬性，并按照螺管電磁鐵的結構尺寸進行參數設置，主要參數設置如表1所示。

圖8 AMESim仿真模型

表1 AMESim仿真參數設置

將源電壓設置為階躍輸入進行系統仿真計算，得到線圈電流隨時間變化的曲線，計算結果如圖9所示。工作氣隙為0.75 mm時不同源電壓下的電磁吸力如圖6所示，源電壓為24 V時不同工作氣隙下的電磁吸力如圖7所示。

圖9 電流隨時間的變化

3 吸力試驗

將6件電磁鐵產品與試驗工裝按照如圖10所示測力裝置進行組裝，用吊重法進行吸力試驗。調節銜鐵與擋鐵的氣隙，依次增加砝碼，給線圈通電24 VDC，銜鐵運動時的砝碼質量即為電磁力值。試驗數據與仿真結果對比如圖7所示。

圖10 測力裝置

4 計算結果分析與對比

分別采用有限元軟件ANSYS、系統仿真軟件AMESim和吸力試驗3種方法對電磁鐵的吸力特性進行分析和對比研究。

根據ANSYS計算結果可知，當電磁鐵工作氣隙為0.75 mm、源電壓為24 V時，電磁吸力為117.5 N，氣隙磁感應強度約為1.1 T。由AMESim計算結果可知，當電磁鐵工作氣隙為0.75 mm、源電壓為24 V時，電磁吸力為112 N；當源電壓為階躍輸入時，線圈電流由0 A升至峰值需要約0.2 s，其中吸合過程（上升段）和斷開過程（下降段）出現局部波峰，其原因為銜鐵運動產生與線圈電流方向相反的電動勢，從而導致電流短暫下降（吸合）或上升（斷開），此現象為螺管電磁鐵的典型特征，如圖9所示。

針對同一工作氣隙不同源電壓下的電磁吸力，采用ANSYS計算和AMESim計算方法得到的電磁吸力隨源電壓的變化趨勢相同（見圖6）。其中，源電壓小于24 V時的電磁吸力ANSYS的計算結果略大于AMESim的計算結果，當源電壓大于24 V時的電磁吸力ANSYS的計算值較AMESim的計算值偏低。其原因為ANSYS計算可以根據電磁鐵結構模型將幾何分布考慮在內，對于氣隙處漏磁情況的計算相對準確，而AMESim仿真模型中將漏磁系數設置為常數，在較高的磁勢下AMESim仿真模型的計算準確性低于ANSYS模型。將仿真結果與吸力試驗結果對比可以看出，在額定磁勢條件下，仿真計算的吸力值結果與實測的吸力值基本一致。在氣隙較小的情況下，仿真計算值略大于試驗值；在氣隙較大的情況下，仿真計算值略小于試驗值。

工作氣隙為0.75 mm時電磁鐵電磁吸力的設計值為121 N，ANSYS仿真結果為117.5 N，比設計值低2.9%；AMESim仿真結果為112 N，比設計值低7.4%；6件電磁鐵產品電磁吸力實測值也均小于設計值。根據圖5中的磁力線分布可以看出，電磁鐵內存在漏磁現象，漏磁將導致磁感應強度降低，從而導致電磁吸力減小。電磁鐵結構形式及結構參數對電磁鐵的漏磁現象產生影響，而工程計算中對漏磁現象的計算并不十分精確，因而仿真計算得到的電磁吸力與設計值存在偏差。另外，工程計算以及數值模擬仿真對于氣體阻尼、鍍膜、銜鐵側向吸力等因素產生的摩擦力將無法準確計算，一般根據經驗對相關因素的影響選取一定值的系數予以考慮，這些因素的影響將導致實際產品電磁吸力實測值與設計值、仿真值存在偏差。因此，電磁鐵進行工程設計中應對磁感應強度留有適當的余量，從而保證電磁吸力滿足使用要求。

通過上述對比分析，采用ANSYS和AMESim軟件均可以實現對螺管電磁鐵吸力特性的仿真。AMESim的仿真結果與設計值的偏差略大于ANSYS仿真結果與設計值的偏差，但采用AMESim對電磁鐵吸力特性進行仿真不需要對電磁鐵進行詳細的三維實體建模、網格劃分等工作，只需要利用AMESim元件庫中已有元件對電磁鐵的仿真模型進行構建，并根據電磁鐵的結構參數對子模型的參數進行設置，可快速完成仿真計算。因此，采用AMESim軟件對電磁鐵進行仿真分析的優勢在于無需精確三維建模即可實現對電磁鐵性能的快速評估，在方案設計初始階段對電磁鐵結構參數的確定和優化可以實現快速迭代，大幅縮短設計周期。

5 結 論

通過對ANSYS、AMESim仿真結果與吸力試驗結果進行對比與分析，可以得到以下結論：

a）在額定磁勢條件下，ANSYS、AMESim仿真計算結果與試驗實測的吸力值基本一致；氣隙較小時，仿真計算結果略大于試驗實測值；氣隙較大時，仿真計算結果略小于試驗實測值。

b）針對同一氣隙不同源電壓下的電磁吸力，ANSYS和AMESim仿真得到的電磁吸力隨源電壓的變化趨勢相同。源電壓小于24 V時，ANSYS仿真結果略大于AMESim仿真結果；源電壓大于24 V時，ANSYS仿真結果略小于AMESim仿真結果。

c）ANSYS、AMESim仿真結果與吸力試驗實測值均小于電磁吸力的設計值，其原因為電磁鐵內存在漏磁現象導致磁感應強度有所降低，從而導致電磁吸力偏小。

d）采用ANSYS和AMESim軟件均可以實現對電磁鐵吸力特性進行仿真，但AMESim軟件的優勢在于無需精確三維建模即可實現對電磁鐵性能的快速評估，在方案設計初始階段對電磁鐵結構參數的確定和優化可以實現快速迭代，大幅縮短設計周期。

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Simulation of the Solenoid Force Based on ANSYS and AMESim

Wang Zong-wei, Ren Zhi-bin, Chang Zhi-peng, Liu Jian-she, Cui Peng-fei

(Science and Technology on Space Physics Laboratory, Beijing, 100076)

The electromagnetic field distribution, the magnetic induction distribution and the solenoid force characteristic of a normal opened solenoid magnet is simulated by ANSYS and AMESim. The change curve of solenoid force with voltage and the change curve of solenoid force with working air gap is concluded. And then the results between simulation and solenoid force test is compared and analyzed. The results show that the simulation results of ANSYS and AMESim are basically consistent with the experiment. The simulation results of the solenoid force can be realized. But AMESim can complete the simulation quickly and then the design cycle can be shortened.

Solenoid electromagnet; Solenoid force; Simulation analysis

1004-7182(2017)06-0093-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170620

V43

A

2017-08-23；

2017-10-27

王宗偉（1985-），男，工程師，主要研究方向為飛行器動力系統設計