基于Ansoft的電磁激振器磁場仿真與研究

摘 要：文章針對滾動振動試驗臺的建造，擬用電磁激振器模擬試驗臺振動。利用EI型電磁激振器的I型銜鐵受吸力不同而模擬不同的運動行程。在研究電磁激振器基本結構的基礎上，利用電磁場仿真軟件Ansoft得出了電磁激振器的磁力線與磁場分布，就不同氣隙大小與激勵電流大小的情況下，仿真得出激振器吸力隨氣隙及電流的變化曲線，為進一步研究設計試驗臺用電磁激振器提供了參考數據。

關鍵詞：滾動振動試驗臺；電磁激振器；電磁鐵；Ansoft仿真計算

中圖分類號：TN753.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）27-0003-02

1 電磁激振器基本結構與工作原理

振動機械中應用的電磁式激振器，通常由帶有線圈的電磁鐵鐵芯和銜鐵組成，在鐵芯與銜鐵之間裝有彈簧。當向線圈輸入交流電，或交流電加直流電，或半波整流后的脈動激振器電路電流時，便可產生周期變化的激勵力，這種激振器通常是將銜鐵直接固定于需要振動的工作部件上。本文的仿真實驗，由于源量和場量均為不隨時間變化的空間坐標函數，所以客觀靜態電磁場的物理現象將呈現單一的電場或磁場效應。

電磁式激振器的核心由兩部分構成：一是螺線管，即用漆包銅線密繞在矩形鐵芯上的多匝線圈；二是EI型硅鋼片疊成的鐵芯，單繞組繞線方式如圖1所示。

根據右手螺旋定則，通電螺線管會在其內部鐵芯中產生磁場，電流越大，產生的磁場也越大。由于線圈繞制在中間鐵芯上，中間鐵芯內部會產生磁場，磁場由中部鐵芯導通向E型鐵芯的兩端鐵芯，此時E型鐵芯內部形成磁流，在E型鐵芯上端覆蓋I型銜鐵，如果銜鐵與E型鐵芯距離夠小，則磁場可通過空氣氣隙進入銜鐵，在整個激振器內部形成完整的閉合磁路。磁場流動方向可由線圈中電流控制，電流通入方向不同則磁場流向方向不同。直流電通入線圈會使鐵芯產生一個偏磁力，吸引上方銜鐵。

根據電磁學基本公式：F=■

可以看出，當選取不同截面積的鐵芯和不同材料的鐵芯會影響電磁力的大小。

2 電磁激振器結構及計算模型

模擬試驗臺上試驗列車的振動，需要的吸力較常規激振器要大的多，由于模擬振動試驗臺空間體積的限制，其內部可安裝的電磁激振器數量有限，因普通列車簧上重量約為10 t，綜合體積大小與吸力需求確定此吸力式電磁激振器要產生1 t左右的力才能滿足試驗臺需求，由電磁學基本公式確定電磁激振器結構見表1。

其中，計算區域尺寸為整個模型外闊50 mm大小，其區域施加“氣球邊界條件”，使其磁場既不平行于也不垂直于邊界，依此將計算區域等效為一個無限空間；I型銜鐵與E型鐵芯均設為系統默認材料steel_1008，線圈設為默認copper材料，整個求解區域材料設為空氣。

根據上述理論分析和基本的尺寸數據，合理簡化實物模型并設置好各項基本參數條件后成功建立了電磁激振器的仿真模型。在Ansoft軟件中建立三維有限元模型，將整個求解區域進行離散化，通過迭代的方法求解得到矢量磁位的數值解，得到有限元網格剖分，如圖2所示。

在線圈上設置截面，在截面上以面電流形式加載激勵電流，設置I型銜鐵為力與力矩研究對象，并且在整個電磁激振器的周圍建立空氣場單元。

3 磁場分析及受力計算

根據上述仿真模型進行求解運算，得出電磁激振器的磁力線分布特征及整個激振器內部磁場分布，如圖3所示。

EI型電磁激振器中氣隙大小的改變量即為I型銜鐵的運動行程，由于氣隙的存在，使得E型鐵芯的磁場出端出現漏磁，漏磁通越大，通過銜鐵的主磁通越小，銜鐵受力越小，故當氣隙較小時，可以通以較小電流以維持力能需求，當氣隙變大時，為了保證吸力不變，需要適當的增加電流強度以維持吸力。仿真模型以電流面形式加載，即以加載1安匝的電流大小，實際中考慮電流源的供能大小與安全，可以用增加線圈匝數的方法等效的減小電流源大小，In=n×1，其中In為仿真用電流面加載電流，n，I為實際線圈匝數與電流大小。仿真模型中模擬In從1 000 A加載到17 000 A，氣隙大小從1 mm到5 mm變化，得出結果如圖4所示。

對圖4分析可見：在氣隙大小不變的情況下，隨著電流的逐漸增加，激振器吸力逐漸增大，在電流保持不變，吸力大小隨氣隙的增大而減小。當電流從1 000 A增加到5 000 A時，不論在何種氣隙情況下，吸力大小與電流大小基本呈現線性增加的趨勢，氣隙越小，線性效果越顯著，當電流超過5 000 A時，隨著電流的增加，吸力增量越來越小，因為鐵芯內部能通過的磁通量是有限的，電流產生的磁場在鐵芯中聚磁，當鐵芯內部的磁通達到飽和時，多余的磁通就從鐵芯邊端沿空氣泄露，形成漏磁通，漏磁通的產生要對鐵芯主磁路產生一定影響，漏磁通越大影響越大，故一味的增加電流帶來的并非好的效果，所以要根據需要的氣隙行程大小合力的選擇激勵電流的大小。

圖中曲線給出了激振器吸引力與電流、氣隙大小的關系，由圖可以看出，在吸引力大小一定，以60 kN為例，當氣隙為

1 mm時，需要電流為3 500 A左右，當氣隙為5 mm時，需要電流11 000 A，可見氣隙對于吸力及所需電流的影響很大，即使是很微小的氣隙改變，都會較嚴重的影響吸力強度，若想精確改變氣隙行程，就要對電流的加載進行精確的控制。

4 結 語

通過上述分析計算可得如下結論：

①通過Ansoft軟件對電磁激振器進行仿真，觀察其磁力線及內部磁場分布，得出了模型的磁力線走勢，觀察主磁路與漏磁路，符合理論分析，因此電磁激振器模型的設計是合理有效的。

②通過對電磁激振器氣隙與電流仿真得出了電磁激振器的吸力隨氣隙、電流變化的分布規律，研究和分析了模型磁路的磁飽和，為其工作電流的飽和區域提供了參考。

參考文獻：

[1] 姜錫朋，羅紹仁.電磁振動機械綜述[J].鑄造機械，1975，（2）.

[2] 汪通悅，陳遼軍.磁浮軸承的技術進展[J].機械制造，2002，（7）.

[3] 戴文進，徐龍權.電機學[M].北京：清華大學出版社，2008.

[4] 潘寧，楊書同.電磁激振器的設計應用形式[J].山東電子，1998，（1）.

[5] 王里達，黃亞宇.電磁激振器電磁場的有限元仿真分析[J].湖南科技大學學報，2010，（6）.

[6] 黃洪，方慰堂.電磁激振器及其動態特性的測試方法[J].裝備機械，1980，（2）.

[7] 奚德昌，蔡國強.電磁式激振器的參變振動[J].強度與環境，1982，（4）.