磁回復高速開關電磁鐵仿真分析

李 威，胡旭東，李其朋

（1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018；2.浙江科技學院 機械與汽車工程學院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

近年來，由于人們對高頻響、抗污染能力強、成本低廉的電液控制系統的新需求，傳統的開關閥換向頻率低和電液伺服閥抗污能力差、價格昂貴等不足已經越來越不能滿足人們的要求。而高速開關閥具有能耗低、對污染不敏感、結構簡單、價格便宜、工作精度較好、響應速度較高等特點，而且高速開關閥可與計算機直接相連，以完成對被控對象的控制任務。在汽車、工程機械和農業機械等諸多領域，高速開關閥都已經被廣泛應用。高速開關電磁鐵是高速電磁開關閥的關鍵驅動部件，其性能直接決定了液壓閥及系統的工作特性[1-9]。因此，高速開關電磁鐵成為了國內外的研究熱點。

但是，目前的高速開關電磁鐵多由彈簧機構回復。彈簧在服役過程中，疲勞破壞可造成高速開關電磁鐵失效，輕則引起機械失控，重則可引起重大事故，造成人員傷亡[10-12]。故本研究提出一種磁回復機構代替彈簧機構，并對磁回復高速開關電磁鐵進行仿真，探討磁回復機構對其靜態特性的影響。

1 結構與原理

磁回復高速開關電磁鐵如圖1 所示，其結構由銜鐵、擋塊、外殼、線圈、推桿、端蓋、環形永磁體等組成。銜鐵在導磁套內可自由移動，銜鐵移動帶動推桿輸出位移。隔磁片的作用是使線圈產生的磁場回路和環形永磁體產生的永磁場回路相對獨立，避免互相干擾。在端蓋上有一環形槽，環形槽中有一環形永磁體。環形永磁體采用高性能的釹鐵硼稀土永磁材料，環形永磁體的作用是提供永磁回復力，使銜鐵復位。

圖1 磁回復高速開關電磁鐵結構

磁回復高速開關電磁鐵的工作原理如圖2 所示。當線圈未通電時，僅有環形永磁體產生的極化磁場，形成磁路Φ1和Φ2，在永磁力的作用下，銜鐵帶動推桿向右運動，直至撞上端蓋；當線圈通入一定極性的電流時，線圈產生的控制磁通建立控制磁路，控制磁路經過工作氣隙產生電磁力，以克服永磁吸力并向左運動，直至撞到限位片。

圖2 磁回復型高速開關電磁鐵工作原理示意圖

2 仿 真

2.1 仿真建模

本研究在有限元仿真軟件Ansoft/Maxwell 中建立了磁回復型高速開關電磁鐵仿真模型。由于磁回復高速開關電磁鐵為軸對稱結構，筆者建立的仿真模型取一半的結構，可節省計算仿真時間，且不影響精度。

本研究在Ansoft/Maxwell 中設置模型的材料。銜鐵、擋塊、外殼、法蘭、導磁片等由導磁材料純鐵DT4制成，它的磁化曲線如圖3 所示。隔磁片、隔磁套由非導磁材料銅或鋁制成。環形永磁體由釹鐵硼稀土永磁材料制成，水平磁化。

圖3 純鐵磁化曲線

在有限元軟件中，網格劃分關系到計算精度以及計算時間。在Ansoft/Maxwell 中，本研究對磁回復高速開關電磁鐵模型采用三角形網格劃分，并對銜鐵端部、環形永磁體及工作氣隙等關鍵部位進行了網格加密，網格劃分圖如圖4 所示。

圖4 網格劃分

在Ansoft/Maxwell 中，本研究選擇求解域的邊為氣球邊界，選擇中心軸線為對稱邊界。設置環形永磁體長度、深V 槽深度和寬度、銜鐵上的沉孔深度等主要結構參數作為求解的參數變量，并添加求解設置，運行軟件求解。

2.2 參數分析

磁回復高速開關電磁鐵主要結構參數如圖2 所示，有環形永磁體長度、深V 槽深度和寬度、銜鐵上的沉孔深度。

基于如圖1 所示結構的磁回復高速開關電磁鐵，通過改變上述結構參數，筆者對模型的靜態特性進行了仿真分析。由于銜鐵靠近環形永磁體0.2mm 后，永磁力急劇增大，呈非線性增長。為了使銜鐵在回復行程中受力呈線性化，本研究在分析時取銜鐵和環形永磁體之間的距離為0。磁回復高速開關電磁鐵關鍵結構參數對銜鐵受力影響圖如圖5 所示。仿真結果表明：

（1）如圖5（a）所示，在無激勵源時，當環形永磁體的長度變長時，銜鐵受到的永磁力也相應增加，當環形永磁體長度增長到5 mm 后再繼續增長時，銜鐵受到的永磁力變化則趨于平緩。

其原因為：當環形永磁體長度增加時，相當于磁體體積增大，銜鐵受力變大；當環形永磁體長度增長到5 mm 后再繼續增長時，通過銜鐵的磁通量不再增加，銜鐵受到的永磁力趨于平緩。

（2）如圖5（b）所示，深V 槽的深度增加，銜鐵受到的永磁力也增大，當深度增加到10mm 后再繼續增加時，銜鐵受到的永磁力則增加緩慢，趨于平緩。

其原因為：當深V 槽的深度增加，磁路Φ2 不經過工作氣隙的漏磁減少，銜鐵受到的永磁力增加；當深V槽的深度增加到10mm 后再繼續增加時，由于磁路Φ2不經過工作氣隙的漏磁不再減少，所以銜鐵受到的永磁力不再增加。

（3）如圖5（c）所示，深V 槽的寬度增加，銜鐵受力增加，當槽寬增加到4mm 后再繼續增加時，則銜鐵受力趨于平緩。

圖5 磁回復高速開關電磁鐵關鍵結構參數對銜鐵受力影響圖

其原因為：深V 槽槽寬增加，磁路Φ2 的漏磁減少，致使銜鐵受力增加；當深V 槽槽寬增加到4 mm 后再繼續增加時，由于磁路Φ2的漏磁不再減少，則銜鐵受力趨于平緩。

（4）沉孔內徑遠小于環形永磁體內徑時，沉孔深度增加對磁路Φ1和Φ2 不大；當沉孔內徑與環形永磁體內徑相同時，如圖5（d）所示，沉孔深度增加，銜鐵受力減少，當沉孔深度增加到1 mm 后再繼續增加時，銜鐵受力則趨于平緩。

其原因為：沉孔深度增加，磁路Φ1磁阻增加，致使銜鐵受力減小；當沉孔深度增加到1 mm 后再繼續增加時，磁路Φ1中一部分磁路改變路徑，不再通過沉孔，銜鐵受力不再減少。

3 結束語

本研究提出了一種基于磁彈簧的高速開關電磁鐵結構，并就其關鍵結構參數進行了仿真分析。

仿真結果表明：永磁體長度、深V 槽深度和寬度增加，銜鐵受力增加，當增加至一定值后，銜鐵受力趨于飽和；沉孔深度增加，銜鐵受力減少，當增加至一定值后，銜鐵受力趨于平緩。筆者綜合考慮整段行程中銜鐵的受力情況以及制造和裝配情況，當環形永磁體長5 mm，深V 槽深10 mm，寬4 mm，沉孔深2 mm 時，推桿輸出特性良好。

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