基于maxws的電磁鐵動(dòng)態(tài)特性分析

本安全電子顯微鏡是實(shí)現(xiàn)煤礦支撐下電液控制的重要設(shè)備。目前,世界上只有德國(guó)(DBT、MACRO)、美國(guó)(JOY)等研究并制造出這種閥。我國(guó)煤礦自動(dòng)化生產(chǎn)工作面使用的電磁先導(dǎo)閥全部采用進(jìn)口產(chǎn)品,為此付出大量外匯。到目前為止,我國(guó)還沒有成熟的研發(fā)技術(shù),因此研究并制造出這種閥成為國(guó)內(nèi)急需。該閥的主要特點(diǎn)是電壓低、驅(qū)動(dòng)電流小,既要符合本質(zhì)安全型電器設(shè)備的要求,還必須具備多個(gè)電磁閥可同時(shí)驅(qū)動(dòng)的功能,便于成組地順序移動(dòng)液壓支架。這是研究這種閥的關(guān)鍵技術(shù)。該電磁先導(dǎo)閥要求功率小于2W,是常規(guī)電磁閥功率的1/20,是一種超小功率的電磁換向閥。為保證電磁先導(dǎo)閥的開啟和復(fù)位的準(zhǔn)確性,筆者根據(jù)電磁閥基本原理設(shè)計(jì)并優(yōu)化了先導(dǎo)閥電磁鐵結(jié)構(gòu);應(yīng)用Maxwell軟件,對(duì)電磁鐵的吸力特性進(jìn)行研究,確保該電磁鐵響應(yīng)速度快、動(dòng)作平穩(wěn)可靠,從而滿足設(shè)計(jì)要求。1新型電磁鐵整體工作原理圖1所示為本質(zhì)安全型電磁先導(dǎo)閥電磁鐵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。此電磁鐵是中心軸對(duì)稱的圓筒形結(jié)構(gòu),由導(dǎo)套、軛鐵、線圈、銜鐵、極靴等組成。軛鐵采用導(dǎo)磁材料,以形成封閉磁回路。設(shè)計(jì)參數(shù)為:電磁鐵工作時(shí)的負(fù)載范圍為3.56～4.09N;行程x=2mm;啟動(dòng)電流為0.11A;額定電壓為12V;電磁鐵的線圈砸數(shù)為4458匝;線圈的總電阻為109Ω。電磁鐵工作原理是依據(jù)能量最小原理,磁力線總是具有沿著磁阻最小的路徑閉合,并有力圖縮短磁通路徑以減小磁阻。其磁路由極靴經(jīng)工作氣隙、軸向可移動(dòng)銜鐵、徑向非工作氣隙、導(dǎo)套、軛鐵回到極靴。在圖1所示的結(jié)構(gòu)中,銜鐵運(yùn)動(dòng)使工作氣隙不斷減小,因而主磁通不斷增加,而漏磁通不斷減小,使螺管力與端面力不斷變化。在吸合處漏磁通與主磁通相比,其值可忽略不計(jì),螺管力趨于零。2電磁鐵的數(shù)學(xué)模型圖2是根據(jù)電磁鐵動(dòng)作過(guò)程所受的力,描述了電磁鐵工作時(shí)的數(shù)學(xué)模型。2.1電源電壓及電路磁路磁通計(jì)算線圈回路的電壓方程:U=IR+e.(1)U=ΙR+e.(1)式中:e=dΦdt?ee=dΦdt?e為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);U,I,R,Φ分別為電源電壓(V)、線圈中電流(A)、回路電阻(Ω)、磁路磁通(Wb)。式(1)中Φ是電流I和行程x的函數(shù),可表示為:Φ=L(x)I.(2)Φ=L(x)Ι.(2)將式(2)代入式(1)得電磁線圈回路的電壓方程:U=IR+L(x)dIdt+IdL(x)dxdxdt.(3)U=ΙR+L(x)dΙdt+ΙdL(x)dxdxdt.(3)2.2先導(dǎo)閥彈簧預(yù)壓縮力復(fù)位彈簧的工作載荷:Fs=F0+kx=k(x+x0).(4)Fs=F0+kx=k(x+x0).(4)式中:k為電磁先導(dǎo)閥的復(fù)位彈簧的剛度;F0=kx0為彈簧的預(yù)壓縮力。電磁鐵的工作阻尼力:Ff=?Bdxdt.(5)Ff=-Bdxdt.(5)式中:B為工作阻尼系數(shù)。電磁吸力方程:Fc=Φ22L(x2)dL(x)dx.(6)Fc=Φ22L(x2)dL(x)dx.(6)將式(5)代入式(6)得:Fc=I22dL(x)dx.(7)Fc=Ι22dL(x)dx.(7)2.3彈簧剛度的計(jì)算電磁鐵的運(yùn)動(dòng)方程:Fc=md2xdt2+Ff(x)+Fs(x).(8)Fc=md2xdt2+Ff(x)+Fs(x).(8)式中:m為電磁鐵銜鐵運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量;x為電磁鐵銜鐵的行程;Fc為電磁鐵吸力;Ff(x)為電磁先導(dǎo)閥的阻尼力;Fs(x)為電磁鐵的復(fù)位彈簧的工作載荷。綜上分析,由式(2)、(8)可知電磁鐵吸力是氣隙、電流及電感的函數(shù),電磁鐵吸力與氣隙、電流、電感的關(guān)系可以抽象地表達(dá)為:Fc=g(I,x,N).(9)Fc=g(Ι,x,Ν).(9)通過(guò)上面的理論分析可知,電磁鐵吸力是與氣隙、安匝數(shù)相關(guān)的函數(shù)。3靜力特性分析Maxwell2D的靜磁場(chǎng)求解器用于分析空間恒定磁場(chǎng),即磁場(chǎng)不隨時(shí)間變化。通常包括以下幾種情況:穩(wěn)恒電流產(chǎn)生的磁場(chǎng);外加靜磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng);勻速移動(dòng)的導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng);永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。它分析的對(duì)象包括非線性的磁性材料和各向異性材料。該模塊可自動(dòng)計(jì)算磁場(chǎng)力、轉(zhuǎn)矩、電感和儲(chǔ)能。由于所分析的電磁鐵是軸對(duì)稱的,在Maxwell2D的RZ柱坐標(biāo)下只需要輸入對(duì)稱電磁鐵的一半模型即可,參數(shù)計(jì)算后可得到此電磁鐵的靜態(tài)特性曲線。在靜磁場(chǎng)計(jì)算后,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可得到磁力線分布圖3和磁通密度分布圖4。由圖3中直流電磁鐵的磁路可知,在線圈電流控制磁勢(shì)作用下,磁路中的總磁通除部分漏磁通外,在工作氣隙附近被分為二部分:第一部分沿軸向穿過(guò)工作氣隙進(jìn)入極靴底部端面產(chǎn)生端面力;第二部分磁通則穿過(guò)極靴徑向間隙經(jīng)極靴周邊通過(guò)端蓋回到軛鐵,產(chǎn)生軸向附加力。流經(jīng)這兩種路線的磁力線的多寡,與銜鐵所處的位置有關(guān)。從圖4磁通密度分布圖中看到,磁通密度最高的地方是銜鐵與極靴導(dǎo)套重疊部分,此處的漏磁很大,從而造成此處的磁通密度增大。在銜鐵位移x=0mm時(shí)此處的漏磁最大,從而造成此處的磁通密度增大。當(dāng)銜鐵位移x=2mm時(shí),在軛鐵端部的盆形極靴處的磁通要高于其他部分。在參數(shù)計(jì)算后,可得到在線圈電流為0.11A的情況下,此電磁鐵的靜態(tài)力特性曲線如圖5所示。圖中力的負(fù)號(hào)只代表計(jì)算中輸出力的方向與所定的方向不同,不影響分析。從圖5和圖6可以看出,在行程0～2mm變化范圍內(nèi),當(dāng)電磁鐵的行程為2mm時(shí),電磁力為4.5N,滿足電磁先導(dǎo)閥的開啟要求。4模型的建立與仿真首先Maxwell瞬態(tài)求解器要求在幾何模型中增加一個(gè)Band,這是為運(yùn)動(dòng)物體銜鐵設(shè)計(jì)的。在Band中的物體為運(yùn)動(dòng)的物體,其余都是靜止的物體,并且設(shè)定了電磁鐵的行程范圍;其次是輸入直流電壓值、電阻值和機(jī)械參數(shù)。由于先導(dǎo)閥負(fù)載屬于變化的負(fù)載,所以取最大負(fù)載為4.09N。考慮到工作環(huán)境,電磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)受到摩擦,選取阻尼系數(shù)(Damping)為0.8N·s/m。參數(shù)設(shè)置完成后,利用Maxwell瞬態(tài)求解器進(jìn)行電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性分析,然后進(jìn)行仿真處理,得出結(jié)果如圖7、圖8、圖9。從圖7、圖8、圖9中可以得出:當(dāng)一開始就在線圈兩端加12V直流電壓時(shí),線圈由于有電感的存在使得電流不能突變,電流會(huì)逐漸增大;同時(shí)隨著電流的增大,銜鐵所受到的電磁力也逐漸增大,但這個(gè)力沒有到達(dá)負(fù)載所需的力4.09N,銜鐵沒有位移。當(dāng)電流增大到其在銜鐵上產(chǎn)生的電磁力到達(dá)負(fù)載所需的力時(shí),圖中可以看到此時(shí)的時(shí)間為0.075s。由于此時(shí)銜鐵具有很大的運(yùn)動(dòng)加速度,銜鐵便開始移動(dòng)。由式(1)知,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)在此時(shí)迅速增大,使得線圈中的電流急劇下降,這就造成了如圖7所示電流會(huì)在銜鐵開始移動(dòng)時(shí)突降;同時(shí)隨著電流的下降,銜鐵受到的電磁力也會(huì)跟著變化,結(jié)果如圖8所示。當(dāng)銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí),由于有機(jī)械方面的載荷,使得運(yùn)動(dòng)速度降下來(lái),此時(shí)電流回升,同時(shí)電磁力上升;銜鐵運(yùn)動(dòng)到一定距離時(shí),達(dá)到力的平衡,銜鐵靜止在這一位置,如圖9所示。分析圖7、圖8、圖9得,在電磁鐵的動(dòng)作過(guò)程中,該電磁鐵的吸力完全滿足電磁先導(dǎo)閥開啟和關(guān)閉的功能要求。5電磁鐵靜態(tài)特性模擬了