基于Ansys的磁保持電磁選針器瞬態仿真

袁嫣紅， 徐文煒， 彭來湖

(浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

隨著智能化時代的到來，紡織行業將面臨再一次的產業升級、轉型，紡織企業對機械設備的要求越來越趨向于高速、高質、高產以及智能化[1]。其中圓緯機具有產量高、花型變化快、經濟效益高等特點，其電腦化、智能化需要各種電子裝置與之配套，這些裝置的技術水平往往決定了整機的水準。為滿足更高的織造要求，電子提花技術應運而生[2]，而電子選針裝置是電腦提花機的核心部件，其性能是決定圓緯機性能的一個重要參數。

圓緯機的選針方式主要有壓電式和電磁式 2類：壓電式選針器以壓電陶瓷片作為驅動器件，在受到施加的電場后，根據壓電材料的逆壓電效應，壓電陶瓷片彎曲到預先記憶的形狀進行選針；電磁選針器通過給線圈通入某一方向的電流磁化鐵芯，被磁化后的鐵芯與永磁體組件產生相互作用力帶動選針刀頭擺動，實現選針。

由于電磁選針器的價格是壓電式選針器的五分之一，因此，其市場潛力巨大。電磁選針器又可細分為電保持選針器和磁保持選針器2類。工作時，電保持選針器需要持續通電，而磁保持選針器切換后不需要通電來保持其選中位置。相對而言，磁保持選針器響應速度和發熱情況優于電保持選針器，因此，近幾年其應用逐漸擴大。但隨著圓緯機速度的不斷提升，如何提高電磁選針器的選針響應速度和工作穩定性來滿足圓緯機的發展要求是電磁選針系統發展必須面對的問題。眾多學者針對這個問題從不同的角度進行了研究：文獻[3]基于測試的角度，開發了專門的選針器頻率檢測系統來有效檢測選針器的刀頭故障，以此來提升選針器的穩定性和可靠性；文獻[4]從驅動的角度，采用高速串行總線的選針驅動器設計方法，以多節點形式連接多個選針器，在一定程度上解決了選針器出現的不穩定現象；文獻[5-6]從結構和磁場的角度，通過仿真分析的方法來優化提升選針器的選針性能；文獻[5]同時利用Ansoft Maxwell軟件建立電磁閥的3-D有限元模型，并運用該模型進行電磁場靜態仿真分析，得出永磁體組件所受的電磁力大小隨線圈匝數、永磁體材料等級、氣隙寬度、鐵芯直徑的影響關系，間接反映選針速度的快慢，通過設置上述參數來提升選針性能；文獻[6]通過瞬態仿真探究了驅動電壓、線圈匝數、永磁體材料和鐵芯形狀等主要參數對選針器工作性能的影響，得出通過提高驅動電壓、增加線圈匝數或選用矯頑力較大的永磁體均可提高響應速度和轉動力矩；文獻[7-9]詳細介紹了電磁選針器的工作原理及其工程設計方法，分析了選針器的電磁特性，并成功地應用于電腦提花圓緯機的提花控制。以上改進措施及理論研究均對電磁選針器的性能提高有一定的作用，但針對磁保持電磁選針器特有的半硬磁鐵芯和脈沖驅動方式的分析均沒有涉及。

選針器的性能主要包括選針響應速度、保持力矩和壽命三大指標。其性能與選針器結構和驅動方式密切相關，針對現有結構，本文以磁保持選針器為研究對象，從理論上分析了選針器部件半硬磁鐵芯和永磁體組件間的相互作用關系。利用Ansys三維瞬態電磁場仿真功能，建立合適的仿真模型，重點探究了選針器中的半硬磁鐵芯的磁特性對選針性能的影響。在選針驅動對選針性能影響的研究上，利用實驗室已有的實驗臺，采用全面實驗法，通過改變輸入電壓值及脈沖寬度，得到一系列的選針響應速度參數，開展驅動電壓和電壓脈寬與選針器性能的對比實驗研究。

1 選針器工作原理分析

本文分析所用選針器共有8段，其中各段的工作性能一致，因此，只分析其中一段，其結構示意圖如圖1所示，主要由半硬磁鐵芯、線圈、永磁體組件、刀頭、限位擋板等組成。

1—刀頭； 2—刀頭固定塊； 3—轉軸； 4—永磁體卡塊； 5—鐵芯塑料套； 6—線圈； 7—鐵芯； 8—底座； 9—外殼； 10—永磁體一； 11—永磁體二； 12—限位擋板。圖1 單段選針器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of a single section needle selector

圖2示出選針器的剖面圖。

圖2 選針器剖面圖Fig.2 Profile of needle selector.(a) Left position of culter head; (b) Right position of culter head

在不工作時，選外器初始位置如圖2(a)所示，其中左右2個永磁體固聯在一起并由永磁體卡塊固定，且二者充磁方向相反，左側永磁體磁性為N極在上、S極在下，右側永磁體則與之相反，即S極在上、N極在下。由于磁保持電磁選針器中的鐵芯在磁化后具有磁性，類似永磁體性質，初始階段鐵芯上端為N極，下端為S極，鐵芯對左側永磁體具有吸引力，對右側具有排斥力，而由于永磁體卡塊的作用，使二者共同受到一個逆時針方向的轉矩，因此，刀頭也受到一個逆時針的轉矩，而又由于極限擋板的作用，初始狀態刀頭保持在極限左側位置。當電磁選針器在反向高脈沖電壓下，鐵芯的磁性變化為上端S極，下端N極，而2個永磁體的磁性不會發生變化，故刀頭隨著永磁體的順時針擺動到右側，此狀態如圖2(b)所示；因此，通過正負脈沖電壓的驅動，可實現選針刀頭從一側極限位置擺動到另一側極限位置的運動，從而控制其外部相應的提花片是否壓入針槽，來控制織針是否進入三角實現提花。

2 半硬磁材料對選針性能的影響

2.1 瞬態仿真分析

2.1.1瞬態分析理論基礎

在脈沖電壓激勵下，磁保持選針器模型中的永磁體組件在轉動過程中，磁場和轉矩等物理量是隨時間變化的函數。Ansys 17采用的三維網格剖分單元是有限元理論中最為穩定的四面體單元，如圖3所示。

在四面體網格劃分時，必須遵從一定的規律，簡單來講即滿足右手螺旋定則， 沿著I-J-K方向，拇指指向L方向。四面體4個頂點上的坐標可以表示

圖3 四面體單元Fig.3 Tetrahedron element

為(xI,yI,zI)、(xJ,yJ,zJ)、(xK,yK,zK)、(xL,yL,zL)，4個頂點上的場量U可以由坐標表示為式(1)所示形式。

UI=a+b·xI+c·yI+d·zI

UJ=a+b·xJ+c·yJ+d·zJ

UK=a+b·xK+c·yK+d·zK

UL=a+b·xL+c·yL+d·zL

(1)

式中：a，b，c，d為待求量，只要4個頂點的坐標和頂點上的場量已知，即可通過求解該方程組，解得這 4個量。即

a=UIxJyJzJ

xKyKzK

xLyLzL-UJxIyIzI

xKyKzK

xLyLzL+UKxIyIzI

xJyJzJ

xLyLzL-ULxIyIzI

xJyJzJ

xKyKzK1xIyIzI

1xJyJzJ

1xKyKzK

1xLyLzL

(2)

同理可求出b、c、d的量，再代入式(1)中，根據插值基函數就可計算得到單元內各點的場量。三維瞬態磁場中，對于低頻瞬態磁場，麥克斯韋方程組可寫為

(3)

在式(3)的基礎上，可以構造出2個恒等式，如式(4)所示。

(4)

dxdtt+Δt={xt+Δt}-{xt}Δt

式中，x既可表示位移，也可表示角度。

2.1.2仿真建模求解

電磁選針器在Ansys中建立的仿真模型如圖4所示，主要包括繞組線圈、永磁體組件、鐵芯，鐵芯塑料套、外殼、底座等結構體及運動求解域Band和真空求解域Region。對比圖1，此模型省略了刀頭，永磁體卡塊，刀頭固定塊和擋板，這樣一方面簡化了分析過程，且刀頭的擺動就是依靠永磁體組件受力擺動而驅動的，二者所受的力成正比，且轉動慣量的大小設置為包含了刀頭和永磁體夾塊質量的等效轉動慣量；另一方面設置運動域Band時，必須將運動件全部包圍在內且不和其余零件干涉，內部不能含有靜止物體，而轉軸和限位擋板是不動的，故舍去。

圖4 3-D仿真模型Fig.4 3-D simulation model

由于磁保持選針器的驅動電壓由正負脈沖組成，而Ansys上的每路輸入電壓只能設置成一個方向，所以采用正24 V脈沖電壓V1與負24 V脈沖電壓V2相疊加得到電壓V3的方式實現激勵加載，如圖5所示。圖中R1為線圈電阻，阻值為2.5 Ω。

圖5 外加激勵電路Fig.5 External excitation circuit

在Ansys 3-D 環境中，繞組線圈用圓柱體來設置，但在繪制運動求解域時必須設置成具有真實邊界的三維實體，故繪制Band時使用多面體，并設置面數為50，然后創建真空區域Region，區域大小向外延伸為20%。設置完畢后進行網格劃分，綜合考慮精度和運算量，將關鍵部件永磁體組件、線圈、鐵芯的網格設置比其他部件細致，剖分效果如圖6所示。

圖6 模型網格剖分Fig.6 Model mesh generation

網格劃分完成后，進行運動類型設置。根據實際選針運動情況設置為旋轉型。永磁體組件繞如圖4 所示的Z軸逆時針方向旋轉，此方向為運動的正方向，運動行程設置為0°～11.6°。之后進行瞬態求解器的設置，將仿真時間設置為0.06 s，仿真步長設置為0.000 1 s。以上步驟完成后，檢查網格剖分效果和剖分質量，以及參數是否設置正確，正確無誤后進行仿真求解，求解完畢后導出位移及轉矩等仿真結果。

2.2 仿真模型合理性的驗證

針對實驗室現有的磁保持選針器進行仿真運算。根據實測值，分別設置半硬磁鐵芯關鍵參數剩磁Br和矯頑力Hc分別為1.4 T和14 328 A/m時，設置2塊永磁體磁性均為876 396 A/m，且充磁方向相反，線圈設置為cooper，底座、外殼設置為iron，鐵芯塑料套設置為polyethylene，在圖5外加激勵下，得到如圖7所示永磁體組件所受轉矩變化曲線。

圖7 轉矩曲線Fig.7 Torque curve

從圖7很容易看出第1個周期不穩定，第2個周期后性能才穩定，仿真結果才具有重復性，這是因為半硬磁鐵芯材料，具有不可逆磁化功能，即在外界磁場的作用下，鐵芯被磁化，從起始狀態變換到另外一個磁化狀態。當去掉外磁場，這個磁化狀態既不是按照原來同一路徑，又不回到原來的起始磁化狀態。同樣，在鐵芯完成一個初始化過程后，選針運動才與實際狀況相吻合，而圓緯機上選針器實際工作前均已被初始磁化，因此，本文采用和分析的數據均是穩定工作后的數據，從圖2(a)狀態擺動到圖2(b)狀態的一個完整過程。圖8為仿真得到的擺動運行規律曲線。

圖8 仿真曲線Fig.8 Simulation curve

為驗證仿真模型和參數設置的合理性，需要通過實驗進行驗證。針對同樣的磁保持選針器，搭建了由激光位移傳感器、應變式壓力傳感器和實時采集與處理系統組成的測試臺。穩定周期下的位移曲線實測結果如圖9所示。對圖9所示的位移轉換到選針刀頭擺角后，與仿真曲線進行對比可以看出，二者變化規律一致，且擺動到位時間也一致。由于仿真中沒有考慮選針刀頭與限位擋板的碰撞，所以仿真時沒有出現圖9中的回彈現象。同時對選針到極端位置時的保持力也進行了實際測量，結果為27.68 mN，與仿真得到的穩定值 27.77 mN相近。由圖9可得出，選針到位且保持穩定后需3.3 ms，針對所分析的8段電磁選針器，在實際工作中，只需每段選針刀頭保持選中狀態的時間大于針筒轉過1個針距所需時間t，用于切換選針狀態的時間小于7t即可，或者說選針頻率大于1/(7t+t)。由此推算出測試所用磁保持電磁選針器的最高選針頻率可達7/(8×3.3 ms)=265 Hz,故能滿足實際生產過程中選針動作頻率為120 Hz的要求。

圖9 實驗曲線Fig.9 Experimental curve

2.3 剩余磁化強度對選針性能的影響

在完成和驗證的仿真模型基礎上開展剩余磁化強度對選針器性能影響的仿真研究。

在磁滯現象中，把保持穩定的磁化強度叫做剩余磁化強度，用Br表示。在使用圖8所對應的參照模型材料不變情況下，只通過設置半硬磁材料磁滯回線中的Br參數分別為1.2、1.4、1.6和1.8 T，為更加直觀清晰反應曲線特點，制作不同Br、時間點情況下擺動角度表，如表1所示。可知，隨著Br的增大，選針刀頭擺動到位時間明顯變短，即選針速度得到了提高。

表1 不同Br、時間點情況下擺動角度Tab.1 Angle of swing at different Br and time points

理論上，當外界激勵電壓消失后，Br的值就是半硬磁鐵芯上端的磁通密度，Br值越大，其與永磁體組件之間的相互作用力也就越大，從而帶動永磁體組件旋轉的轉矩也越大，擺動時間越短。

2.4 矯頑力對選針性能的影響

在使用圖8所對應的參照模型材料不變時，只通過設置半硬磁材料磁滯回線中的矯頑力Hc參數分別為9 552、14 328、19 104、23 880 A/m，同樣為了更加直觀清晰反應曲線特點，取5個關鍵點，如表2所示。可知：當時間為22 ms時，選針刀頭的擺動角度均為0.00°，即選針刀頭還沒開始擺動；當時間為 22.5 ms時，Hc為9 552 A/m時擺動較快，擺動角度為0.52°，隨著Hc的增大，選針刀頭所擺動的角度反而減小。當時間為24 ms時，Hc越大，永磁體組件擺動到此時刻角度越大。分析可得隨著Hc的增大，選針刀頭擺動到要求位置時所需時間越短，但是其啟動速度反而降低。這是因為Hc越小，外加的電壓激勵可先到達磁滯回線上Hc對應點，所以啟動速度快。但是隨著Hc的增大，其最大磁能積也會增大，因此，整體上選針刀頭擺動到位的時間較短，從而選針速度更快。

表2 不同Hc、時間點情況下擺動角度Tab.2 Angle of swing at different Hc and time points

3 驅動電壓和脈寬對選針速度的影響

3.1 脈沖寬度對選針性能的影響

由于半硬磁鐵芯材料具有磁保持的特殊性質，故所需外加激勵不需要一直通電，只需一個脈沖，使其走完磁滯回線路程即可，而脈沖寬度Wd對其選針效率也有較大影響。圖10示出脈沖寬度分別為100、200、600、1 000、1 400、1 800 μs時，擺動角度與動作時間及保持力轉矩的關系圖。可以很明顯看出，脈沖寬度越大，選針器的選針速度越高，但當脈寬達到1 400 μs之后，選針速度基本沒有變化。這是因為所施加的驅動電壓脈寬正比于磁場強度，當磁場強度達到一定程度再加強時，半硬磁鐵芯的磁通密度增強的速度越來越慢，趨于磁飽和。

圖10 不同Wd下的擺動到位時間和保持力矩圖Fig.10 Wobble time and holding torque under different Wd

3.2 驅動參數對選針性能的比較

為更準確地研究驅動電壓和電壓脈寬對選針器擺動到位的影響權重，采用全面實驗法進行研究。電壓選取以當前的工作電壓24 V為基準，上下各取兩檔；脈寬以圖10為參考，選用對擺動時間影響較明顯的范圍內的值。實驗中2個因素的取值情況見表3。

表3 因素取值表Tab.3 Factor table

利用全面實驗法測得的部分計算結果見表4。到位時間指的是選針器從一側擺動到限位擋板另一側所需時間。

表4 全面實驗擺動到位時間(部分)Tab.4 Full experiment of wobble time (part)

按照實驗方差分析方法對實測結果進行分析，結果見表5，其中Kj(j=1,2，…,5)為每個因素在表中所對應第j種取值時所得的所有計算結果的平均值。例如表5中K2行電壓因素對應值為 3.16 V，則表示對應在表4中電壓脈寬因素選取 200 μs，電壓取不同值時，所有情況下選針器到位時間的平均值為 3.16 V。Kj的大小反映了每列所對應的因素選針器在不同取值時對選針結果的影響，其值越小說明選針速度越快，選針器擺動到位時間越短。從表4 可以看出，在電壓脈寬為100 μs和電壓為12 V時，選針器無法擺動，因此，接下來的分析除去K1的特殊性，表5中Rp(p=23、34、45)為每一列中Kj(j=2,3,4)與Kj+1的極差，其大小反映了該列因素取值變動對計算結果的影響，值越大則表明影響越大，反之越小。由表5中可以看出，R23明顯大于R34和R45，對應表3 的驅動參數，電壓為24 V，脈寬為 300 μs 為實驗取值范圍內的關鍵點。在驅動取值范圍中，隨著電壓和脈寬的增加，選針速度提高，但電壓和脈寬增加到關鍵點之后，電壓和脈寬的增加對選針速度變化的影響逐漸變弱。

表5 擺動到位時間極差Tab.5 Wobble time extreme

4 結 論

本文通過有限元瞬態仿真分析和實驗研究相結合，就磁保持選針器中半硬磁鐵芯磁滯回線中的關鍵參數和外部驅動參數對選針器性能的影響進行了分析，得出以下結論：

1) 鐵芯所選半硬磁材料的剩磁越大，其與永磁體組件的相互作用力也就越大，從而帶動永磁體組件旋轉的轉矩也越大，選針響應速度更高。

2) 鐵芯所選半硬磁材料的矯頑力越大，盡管選針啟動速度低，但其擺動到要求位置時所需時間卻更短，綜合結果選針速度更高。

3) 驅動電壓脈寬越大，選針器的選針速度越高，但當脈寬達到1 400 μs后，對選針速度的提升作用基本可忽略。

4) 針對確定的選針器結構和半硬磁鐵芯材料，通過驅動關鍵點的分析可得出一個相對合理的驅動參數。

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