淺談基于Ansys Maxwell分析的軌道磁力固定裝置

潘奇，周昊民，李徽，丁巖，石勇

（1.湖南科美達電氣股份有限公司，湖南 岳陽 414000；2.湖南理工學院 機械工程學院，湖南 岳陽 414006）

20世紀80年代，高性能稀土永磁材料的迅速發展，極大地促進永磁設備的發展。特別是20世紀90年代以后稀土永磁材料之王釹鐵硼的價格逐漸降低，永磁設備得到了大力的推廣及應用。永磁材料由于在工作過程中不需要施加電流就能通過自身的剩磁產生強大的磁力，因此永磁設備相比于電磁設備最為明顯的優勢就是自重輕并且節能。基于永磁材料這一特點，各種永磁設備被廣泛地應用在人們的生產生活中，比如，永磁起重器、永磁夾具、永磁電機和機床快速換模裝置等等。本文介紹了一種基于Maxwell分析的軌道磁力固定裝置，用于解決軌道檢測小車在行駛的過程中，因為重心過高，易發生側翻的問題。軌道檢測小車是一種在軌道上邊行駛邊檢查線路安全狀況的移動工具，目前，所使用的軌道檢測小車在軌道上行駛時，存在著重心偏高、自重較輕、重心不穩等問題，容易誘發比較嚴重傾斜，甚至可能導致小車側翻事故，存在較大的安全隱患，然而，采用笨重復雜的機械固定方式又會使得小車自重大幅度增加，使其在搬運、安裝和拆卸過程中更加困難。本文講述了一種軌道磁力固定裝置，能夠在略微增加小車重量的同時通過磁力將小車牢牢吸附在軌道上使其平穩行駛，也能通過簡單的去磁操作將小車輕松搬離軌道。

1 軌道磁力固定裝置的結構及工作原理

1.1 軌道磁力固定裝置的結構

如圖1所示，軌道磁力固定裝置的主要結構包括頂板、磁鋼組合件、非磁連接件、非磁擋板、磁軸、磁極、輥輪、轉動把手、限位塊。頂板、磁軸、磁極為導磁材料采用普通碳素結構鋼Q235，三組磁鋼為磁源采用釹鐵硼N40，其余材料無需導磁一般采用不銹鋼304。軌道磁力固定裝置通過頂板的螺絲孔與軌道檢測小車相連接，在裝置的左右兩端都鉸接一個輥輪，通過兩個輥輪與軌道相接觸，輥輪能夠在軌道上進行滾動，因此，在軌道小車運行時能夠跟隨著軌道小車一起運行，輥輪面高于磁極面，能夠避免磁極與軌道相對運動時產生滑動摩擦而發熱磨損。軌道磁力固定裝置內部裝有三組磁鋼，固定磁鋼以轉動磁鋼回轉中心線所在垂直面左石對稱布置，其中磁軸中的轉動磁鋼可以通過扳動把手進行0°～155°的旋轉。限位塊可以將把手限制在OFF和ON位置，避免受磁場產生的力矩轉動到其他狀態。

圖1 軌道磁力固定裝置的結構組成

1.2 軌道磁力固定裝置的工作原理

軌道磁力固定裝置有兩種狀態：放料狀態和吸料狀態，兩種狀態之間通過轉動把手實現切換。放料狀態時，把手處于OFF位置，圖2所示磁鋼組產生的磁場在裝置內部形成閉合回路，裝置對外不顯磁；將把手旋轉155°到達ON位置后，裝置進入吸料狀態圖3，磁軸中的轉動磁鋼因極性方向發生翻轉其磁場與另外兩組固定磁鋼的磁場進行疊加，通過磁極導出傳遞到軌道上，從而使裝置吸附在軌道上。

圖2 放料狀態OFF

圖3 吸料狀態ON

2 軌道磁力固定裝置磁場的數學模型

在設計磁性裝置時，我們通常會先采用磁路計算法，對裝置內部的磁通量和工作氣隙的磁感應強度進行簡單的計算和定量分析。通過對裝置各部位磁通量的計算，我們可以判斷出各部分磁感應強度是否飽和，裝置表面是否有漏磁影響使用；通過對工作氣隙磁感應強度的計算，我們可以得到被吸物磁力的大小，從而判斷設計是否基本達到要求。

放料狀態下，裝置內部磁路為閉合回路，磁路中氣隙極小，磁鋼工作點幾乎處在剩磁Br處，磁鋼內部磁感應強度可認為是1.25T。三組磁鋼磁場通過的截面積相同，故磁通量相同，磁鋼無漏磁。普通碳素結構鋼Q235飽和磁感應強度一般為1.8T，對于頂板、磁軸和磁極而言，其內部的磁通量與磁鋼內部的磁通量近似相等，設計時，只需考慮三者內部的磁感應強度不超過1.8T，即可確保不產生漏磁現象。

吸料狀態下，若不考慮空氣漏磁，裝置和軌道形成的磁路簡圖如圖4所示。

圖4 吸料狀態磁路簡圖

利用磁路基爾霍夫第一、第二定律得方程式組：

式中，Φ1、Φ2、Φ3為磁通量；Em1、Em2為磁動勢，Rm1為頂板磁阻；Rm2為磁軸與磁極之間氣隙磁阻；Rm3為磁極磁阻；Rm4為磁極與軌道之間氣隙磁阻；Rm5為軌道磁阻。

通過方程式組我們求解出Φ3，再利用

式中，μ0為真空磁導率；S磁極為磁場通過磁極底部的面積。可求得裝置對軌道的磁力。

然而，這種理想環境下求解出的數據并不能完全作為工程設計依據，其計算結果有時相較實際工況偏差較大。主要原因如下：

①磁阻難以準確計算。由公式磁阻

式中，μ為材料的磁導率；l為磁場通過的距離；S為磁場通過的面積。

可知，磁阻的大小與磁場通過的長度l、磁場通過的面積S、磁導率μ有關。對于鐵磁材料其內部磁場并非均勻，而且磁導率也隨磁場的大小非線性變化；對于空氣其磁導率μ0雖恒定不變，但磁極與軌道間的氣隙并不規則。

②對于存在一定氣隙的磁路，空氣漏磁不能簡單忽略。磁路雖與電路類似，但也存在明顯不同。鐵磁質的磁導率約為空氣的幾千倍，而導體的電導率高達空氣的幾千億倍，因此，磁路中空氣漏磁無處不在，使得磁路分析變得無比復雜，最終導致磁路計算法建立的數學模型難以求解或者求解結果不精確。

為了高效、準確地驗證設計方案的可行性，工程師往往會在設計初期進行簡單的磁路計算后，采用CAE軟件進行數值仿真分析，以此獲得關鍵的理論數據，為設計方案的成功實施提供有效保障。

3 軌道磁力固定裝置磁場的仿真分析（圖5～7）

圖5 放料狀態磁場云圖

Ansys Maxwell是一款美國ANSYS公司研制的電磁有限元分析軟件，可幫助我們在設計產品時通過計算機對其性能進行仿真分析，從而得到關鍵的理論數據。本文主要研究軌道磁力固定裝置從關閉（OFF）到打開（ON）磁軸旋轉155°的磁力變化和力矩變化。

（1）將Creo Parametric中的3D模型經過簡化處理后，保存為STP格式后導入Ansys Maxwell內。簡化處理主要是去除不導磁的零件和對仿真結果基本不影響的螺紋孔。

（2）磁軸從0°～155°旋轉過程中磁力和力矩時刻變化，分析方式采用瞬態磁場分析。先對導入的模型各部分材料進行定義，再將模型中心磁軸及磁軸中間磁鋼定義為運動部件并設置好轉速（每秒1°）和旋轉時間（0～155s）。

（3）設置軌道所受的磁力和磁軸轉動的力矩為求解對象。

（4）建立求解域，開始求解。求解域相當于空氣層，在閉合磁路中，空氣中的磁場分布較少，求解域大小相當于模型的1.5～2倍即可。

（5）求解完成后，顯示出磁力和力矩的變化曲線并標記出最大值。

仿真結果表明，把手帶動磁軸由0°旋轉到155°過程中，裝置的磁力由0增到1190N，在155°達到最大；力矩由小變大，旋轉到103°時，達到最大9N·m，再由大變小。結論如下：①裝置在“OFF”狀態時內部磁場無外漏，磁極對軌道無吸力能輕松放置及搬離。②裝置對軌道的磁力不小于100kg，已到達使用要求；使用時，在小車4個輪子附近各安裝1個磁力固定裝置，400kg磁力足夠將小車牢牢吸附在軌道上使其平穩行駛。③把手長度為0.1m，當裝置由“OFF”狀態變為“ON”狀態時，使用者需釋放出最大拉力不大于90N，相對笨重復雜的機械固定方式，此軌道磁力固定裝置能夠通過轉動把手輕松實現裝置的固定工作，改善了傳統軌道小車固定裝置安裝煩瑣的問題。

4 結語

圖6 吸料狀態磁場云圖

圖7 磁力與力矩變化

本文以軌道磁力固定裝置為研究對象，討論了其內部結構及工作原理，先采用磁路計算法對其進行簡單的理論分析，再通過Ansys Maxwell軟件進行詳細的仿真分析，從而得到裝置內部磁場的分布情況和磁力、力矩、角度三者之間的關系。通過這些關鍵數據，我們可以清晰地了解軌道磁力固定裝置在使用過程中其內部磁場的動態變化情況，準確地掌握磁力和力矩隨角度變化的趨勢，為設計方案的合理性提供了足夠的理論依據。

所設計的軌道磁力固定裝置，能夠在略微增加小車重量的同時，通過磁力將小車牢牢吸附在軌道，有效地解決了軌道小車在軌道上行駛時，因重心偏高、自重較輕、重心不穩等原因發生比較嚴重傾斜的問題，

目前，本文只對軌道磁力固定裝置的一種設計方案進行了研究分析，并未進行優化設計。以后可以著重研究磁鋼厚度、面積和磁力、力矩的關系，達到提高吸力、降低力矩、減輕重量的目的。