基于Ansys-Maxwell的礦用電磁鐵優化和仿真

郭大勇，司國雷，唐兵，王嘉磊

(四川航天烽火伺服控制技術有限公司，四川 成都 611130)

0 引言

液壓支架電液控制系統是煤炭綜采工作面的重要組成部分，對保證煤礦工人的安全作業起著重要作用。礦用電磁先導閥是電液控制系統中重要組成部分，通過控制主閥的通斷使油液進入液壓支架的液壓缸，使液壓支架實現升降運動，隔離采空區，保證煤礦工人的安全作業[1]。電磁鐵作為一種電-機械轉換裝置，是電磁先導閥的核心控制部分，其性能的好壞直接影響整個液壓支架系統的正常工作。

由于礦用環境的特殊性，為保證安全，礦用電磁鐵一般為本質安全型，控制電壓為DC12 V，閥芯行程(2±0.06)mm，電流一般不超過200 mA。在如此小功率的條件下獲得較大推力有較大難度[2]。在電磁鐵性能參數中，電磁力是重要的一項考核指標。近年來，許多研究人員對電磁力進行理論分析和試驗研究。魏列江等[3]建立了高速開關閥數學模型，研究了線圈匝數對電磁力的影響。黃路路等[4]采用有限元方法研究了不同安匝數對電磁鐵靜態特性的影響，并闡述了電磁銜鐵在不同位置時的靜磁場分布規律。毛樂園等[5]研究了銜鐵端面與極靴端面的距離、極靴內側錐面端部半徑、銜鐵錐面和極靴內側錐面的錐角對電磁鐵吸力的影響，并通過正交試驗驗證了仿真結果，試驗結果與仿真結果相符。

上述文獻就重要結構參數對電磁力的影響進行了研究。本研究按照某煤礦公司要求，在控制電壓、電磁鐵外形尺寸和閥芯行程不變的情況下，通過Ansys-Maxwell有限元軟件分析隔磁環參數對啟動電磁力的影響，得到提高啟動電磁力的最優化方法，從而提高礦用液壓支架的工作可靠性。

1 電磁先導閥結構及工作原理

1.1 電磁先導閥結構

電磁先導閥結構如圖1所示，其中電磁鐵的主要作用是控制先導閥的導通與關斷，該電磁鐵主要由導磁外殼、導向筒、隔磁環、閥芯組件、軛鐵、線圈組件和電磁鐵復位彈簧組成。電磁鐵的結構參數如表1所示。

1—電磁鐵外殼；2—導向筒上段；3—閥芯組件；4—隔磁環；5—線圈組件；6—導向筒下段；7—電磁鐵復位彈簧；8—軛鐵；9—推桿；10—杠桿；11—先導閥芯；12—先導閥復位彈簧。

表1 礦用電磁鐵的結構參數

1.2 電磁先導閥的工作原理

電磁先導閥的工作原理為：當電磁鐵通電時，隨著電磁力的不斷增加，當電磁力大于復位彈簧力時，閥芯吸合(電磁鐵閥芯與推桿之間為螺紋配合連接)，推桿推動杠桿，使對側的先導閥芯運動，先導閥芯克服彈簧力和液壓力，先導閥打開；當電磁鐵斷電時，先導閥芯在液壓力和先導閥復位彈簧力的作用下復位，電磁鐵閥芯也在復位彈簧力作用下復位。

1.3 先導閥打開作用力測試

由于電磁鐵的主要作用是控制先導閥啟閉，因此需要對先導閥打開時的作用力進行檢測，其測試試驗如圖2所示，首先在先導閥入口通入35 MPa的工作壓力，用測力計推動先導閥芯，當先導閥入口壓力下降代表先導閥導通，此時測力計上的值即為先導閥打開時作用力大小。從圖2可以看出，打開先導閥需要的作用力為4.12 N。因此電磁鐵的啟動電磁力必須大于4.12 N。

圖2 先導閥打開作用力測試試驗

1.4 原電磁鐵啟動電磁力測試

電磁鐵啟動電磁力測試試驗如圖3所示，其中測力計和位移計固定在固定板上，固定板通過轉動手輪上下移動，行程尺與固定支架連接在一起。測試開始時，使電磁鐵通電吸合，然后轉動手輪使固定板向下移動，當測力計探頭與電磁鐵推桿剛好接觸(測力計示值為0，下移一點則示值不為0)，把位移計示值調0；然后電磁鐵斷電復位，轉動手輪使固定板向下移動，觀察位移計示值，當示值為(2±0.06)mm(閥芯行程)停止轉動；最后給電磁鐵通電，閥芯吸合，此時測力計上示值即為電磁鐵啟動電磁力大小。

圖3 電磁鐵啟動電磁力測試試驗

從圖3的測試結果中可以看出，原電磁鐵的啟動電磁力為3.47 N，小于先導閥打開時的作用力，不能控制先導閥正常打開關閉，因此需要對原電磁鐵進行優化改進，提高電磁鐵的啟動電磁力。

2 電磁鐵啟動電磁力有限元仿真優化

由于用戶要求電磁鐵的外形尺寸不變，因此在仿真優化時需要保留線圈尺寸、銜鐵尺寸、閥芯行程和激勵安匝數不變。通過對礦用電磁鐵結構分析發現，其特殊之處在于導向筒中增加了隔磁環結構，在文獻[6-7]中提到：由于隔磁環為不導磁材料，因此其結構參數對電磁鐵中磁路流向、工作氣隙處磁感應強度大小都有較大影響。本研究通過優化隔磁環參數使礦用電磁鐵實現啟動電磁力大于4.12 N的研究目標。

2.1 Ansys仿真模型

煤礦用電磁鐵為軸對稱結構，用二維模型就能反映三維情況。為了減少計算量，本研究采用2D軸對稱模型進行磁場仿真計算[8-10]。為了分析隔磁環參數對礦用電磁鐵啟動電磁力的影響，建立2D軸對稱模型如圖4所示。

圖4 礦用電磁鐵仿真模型

在電磁鐵仿真中，電磁鐵外殼、銜鐵、軛鐵、導向筒上段和導向筒下段的材料為DT4，隔磁環和線圈的材料為銅；邊界條件選為氣球邊界條件[11]，采用自適應網格劃分和手動網格劃分相結合的方法[12]；激勵源定為電流源，線圈安匝數為380 A，求解設置中最大收斂步數為10，收斂百分比誤差為1%，每步細化百分比為30%，非線性殘差為0.000 1。

在原電磁鐵結構中隔磁環長度h2=3.0 mm，隔磁環下端面距導向筒下端面距離h1=7.5 mm，由于線圈尺寸和銜鐵尺寸須保持不變，因此優化設計時不考慮隔磁環厚度影響，僅從隔磁環長度和隔磁環位置兩方面分析對啟動電磁力的影響。

2.2 隔磁環長度對啟動電磁力的影響分析

為了分析隔磁環長度對礦用電磁鐵啟動電磁力的影響，使隔磁環長度在8 mm～28 mm范圍內變化，每2 mm取個點進行參數化仿真。仿真參數如表1所示，得到不同隔磁環長度下啟動電磁力變化曲線如圖5所示。

圖5 隔磁環長度對啟動電磁力的影響

從圖5的仿真結果中可以看出，當隔磁環長度在8 mm～14 mm范圍內變化時，隨著隔磁環長度的增加，電磁鐵的啟動電磁力增加得比較快；而當隔磁環長度在14 mm～28 mm范圍內變化時，電磁鐵的啟動電磁力變化不大。產生這種現象的主要原因是：當隔磁環長度在8 mm～14 mm范圍內變化時，隨著隔磁環長度的增加，經銜鐵進入軛鐵的磁力線數量增加，即主氣隙磁通量增加，因此啟動電磁力增加，如圖6所示。而當隔磁環長度在14 mm～28 mm范圍內變化時，通過主氣隙的磁通量基本不變，因此啟動電磁力變化不大。

圖6 不同隔磁環長度氣隙處磁力線分布

2.3 隔磁環位置對啟動電磁力的影響分析

如圖1所示，以隔磁環下端面距導向筒下端面h1=7.5 mm處作為參考零點，隔磁環向左移動為正方向，向右移動為負方向，設定隔磁環位置由-3.0 mm～+7.1 mm變化，每隔0.2 mm取個點，并以此為變量進行參數化仿真，得到啟動電磁力變化曲線如圖7所示。

圖7 不同隔磁環位置啟動電磁力變化曲線

從圖7的仿真結果中可以看出，當隔磁環位置在-3.0 mm～3.0 mm范圍內變化時，隨著隔磁環位置的不斷左移，電磁鐵的啟動電磁力不斷增加，在3.0 mm處達到最大值14.17 N；當隔磁環繼續左移，電磁鐵的啟動電磁力不斷降低，在7.1 mm處降為3.92 N。產生這種現象的主要原因是：當隔磁環位置在-3.0 mm～3.0 mm范圍內變化時，隨著隔磁環位置的不斷左移，氣隙處的磁感應強度不斷增加，因此啟動電磁力不斷增加，當隔磁環繼續左移，氣隙處的磁感應強度不斷減小，因此啟動電磁力不斷減小。圖8為隔磁環在移動過程中4個位置處的磁感應強度。從仿真結果中可以看出，當隔磁環位置左移3.0 mm時，氣隙處的磁感應強度最大，因此該位置處的啟動電磁力也最大。

圖8 初始位置氣隙磁感應強度

2.4 仿真結果分析

從上面的仿真結果可以看出：

1)當隔磁環長度在8 mm～28 mm范圍內變化時，隨著隔磁環長度的增加，電磁鐵的啟動電磁力先增大后基本不變，當隔磁環長度為14 mm時電磁鐵的啟動電磁力為3.51 N，仍小于目標值4.12 N，不滿足先導閥打開要求；

2)當隔磁環位置在-3.0 mm～7.1 mm范圍內變化時，電磁鐵的啟動電磁力先增大后減小，當隔磁環位置左移3.0 mm后，電磁鐵的啟動電磁力為14.17 N，遠大于目標值4.12 N，滿足先導閥打開要求；

3)因此原電磁鐵最好的優化方案是將隔磁環位置左移3.0 mm。

3 試驗驗證

從仿真結果中可以看出，電磁鐵最好的優化方案是將隔磁環位置左移3.0 mm。根據仿真結果對導向筒中隔磁環位置進行調整，優化后的導向筒結構及啟動電磁力測試結果如圖9所示。

圖9 結構優化及啟動電磁力測試試驗

從圖9的測試結果中可以看出，將隔磁環位置左移3.0 mm后電磁鐵的啟動電磁力增加為13.9 N，與仿真結果基本吻合，相比于原電磁鐵啟動電磁力3.47 N增加了10.4 N，遠大于目標值4.12 N，滿足先導閥打開要求。

4 結語

本文通過對礦用電磁鐵啟動電磁力仿真優化得到：

1)隔磁環參數對電磁鐵的啟動電磁力有重要影響；

2)在一定范圍內通過增加隔磁環長度可以提高電磁鐵的啟動電磁力，但影響程度不大；

3)隔磁環位置對電磁鐵的啟動電磁力有重要影響，通過改變隔磁環位置可以提高電磁鐵的啟動電磁力。