基于ANSYS的電磁作動器仿真研究

1、基于ANSYS的電磁作動器仿真研究摘要:介紹了電磁作動器的結構，用ANSYS建立了電磁作動器的二維靜態(tài)磁場仿真模型。仿真研究了電磁作動器的磁場分布以及電磁鐵鐵芯直徑d,鐵芯長度I,電磁線圈匝數(shù)N,電磁線圉電流L工作氣隙6等參數(shù)對銜鐵所受電磁力的影響。關鍵詞:電磁作動器ANSYS仿真D01:10.3969/j.issn.l672-8289.2010.09.010駕駛員主動電磁座椅懸架主要把電磁鐵作為懸架的作動器，通過控制電磁線圈電流的變化改變電磁鐵的作用力,實現(xiàn)振動的主動控制。相匕眼液壓減振系統(tǒng)而言，它具有不受粘著力限制、磨損少、噪音小、無污染等優(yōu)良特性。本文介紹了一種主動座椅懸架電磁作動器的結

2、構，并運用ANSYS軟件的電磁場分析模塊對電磁作動器進行了仿真研究。文章仿真了電磁作動器的磁場分布并研究了電磁鐵鐵芯直徑d,鐵芯長度I,電磁線圈匝數(shù)N,電磁線圈電流I以及工作氣隙等參數(shù)對銜鐵所受電磁力的影響，以期為電磁作動器及主動電磁座椅懸架控制系統(tǒng)的方案設計提供設計依據(jù)。1電磁作動器模型的構建電磁作動器由缸體，缸體兩端的電磁鐵（外繞線圉），以及銜鐵組成。缸體采用不導磁不銹鋼材料，具有一定的安裝強度且不影響電磁鐵的磁場分布。電磁鐵鐵芯為高磁導率的工程純鐵加工而成的圓柱體，結構簡單。鐵芯外繞線圉，線圉采用耐熱等級E級（120度）的聚酯漆包圓銅線。銜鐵與鐵芯1為一個整體，可上下運動，載重加在鐵芯1

3、上端,從而將銜鐵所受電磁力通過鐵芯1傳遞給載重。為簡化起見忽略了人體與座椅懸架上板之間座墊的影響,即將人體質量的75%與座椅懸架上板質量視為一體作為非警載質量即載重。由電磁學原理可知，當銜鐵處于兩電磁鐵的中間位置，電磁線圈通以相同電流,則銜鐵所受兩電磁鐵的電磁引力大小相等，方向相反，合力為零。當座椅受到激振作用或載重質量發(fā)生變化（即不同體重的駕駛員）時，銜鐵向上（或向下）運動,控制電磁線圉中電流的大小使銜鐵所受合力發(fā)生改變，從而可以實現(xiàn)對座椅懸架的主動控制,以達到隔振的效果。用ANSYS軟件電磁場分析模塊建立了電磁作動器的二維仿真模型。方法如下:進入ANSYS前處理器，選擇Magnetic-N

4、odal模塊，定義單元類型為PLANE53,定義各材料磁導率。電磁作動器各部件用相應的矩形面表示，為各矩形面賦予相應的材料屬性，即可得到電磁作動器的模型。需要注意的是，必須在電磁作動器的周圍建立空氣面，否則仿真結果會失真。模型外圍節(jié)點加平行邊界,電磁線圉加電流載荷，定義銜鐵為ARM組件，并施加力標志。求解后即可進入后處理器查看計算結果，包括電磁作動器的磁力線分布，磁通密度云圖及其矢量圖，和銜鐵所受電磁力。2仿真結果分析電磁鐵產生的電磁力大小是電磁主動座椅懸架控制的最終目標，因此本文詳細分析了改變電磁鐵鐵芯直徑d,鐵芯長度I,線圉匝數(shù)N,工作氣隙6和線圈電流I等參數(shù)時，電磁力的變化規(guī)律。選取鐵芯

5、長度l=100mm,電磁線圈匝數(shù)N=3500,電流I=3A,氣隙=3mm,并保持上述參數(shù)不變，使鐵芯直徑d在30mm至60mm之間變化，電磁力與鐵芯直徑的變化規(guī)律為銜鐵所受電磁力隨鐵芯增大而增大，這主要是因為電磁力與磁路有效截面積有關，鐵芯直徑越大,磁路有效截面積也越大,電磁力也越大。但鐵芯直徑增加會導致鐵芯體積增加，重量也增加，因此選擇鐵芯直徑要兼顧兩方面因素，使得電磁作動器的性能達到最優(yōu)。選取鐵芯直徑d=100mm,鐵芯長度l=100mm,電磁線圈匝數(shù)N=3500,電流I=3A,氣隙=3mm,并保持上述參數(shù)不變，使鐵芯長度I在100mm至300mm之間變化，電磁力與鐵芯長度的變化規(guī)律為銜鐵

6、所受電磁力隨鐵芯長度增大而減小，這主要是因為鐵芯長度在100mm至300mm范圍內，磁路未飽和，鐵芯漏磁隨鐵芯長度增加而增大，因而電磁力隨鐵芯長度增加呈減小趨勢。選取鐵芯直徑d=100mm,鐵芯長度1=100mm,氣隙=3mm,并保持上述參數(shù)不變，電流分別取為1A,2A,3A的情況下，使電磁線圉匝數(shù)在2000匝至4500匝之間變化，電磁力與線圈匝數(shù)的變化規(guī)律為銜鐵所受電磁力隨電磁線圈匝數(shù)基本成平方遞增，且電流越大，曲線越陡。選取鐵芯直徑d=100mm,鐵芯長度1=100mm,電磁線圖匝數(shù)N=3500,并保持上述參數(shù)不變,氣隙分別取為3mm,4mm,5mm的情況下，使電磁線圉中的電流在0A至3A

7、之間變化，電磁力與線圈電流的變化規(guī)律為銜鐵所受電磁力隨電磁線圈中通入的電流基本成平方關系遞增，且氣隙越小，同等電流下銜鐵所受電磁力越大，由此可以看出通過控制電磁線圉中的電流大小，可以改變銜鐵所受電磁力的大小，即通過控制器的控制可實現(xiàn)對座椅懸架的主動控制。選取鐵芯直徑d=100mm,鐵芯長度1=100mm,電磁線圈匝數(shù)N=3500,并保持上述參數(shù)不變,電流分別取為1A,2A,3A的情況下，使氣隙在3mm至8mm之間變化，電磁力與氣隙的變化規(guī)律為銜鐵所受電磁力隨工作氣隙增加而減小，目電流越大，曲線越隧，因此控制器的設計要考慮在銜鐵運動的過程中工作氣隙的變化對電磁力產生的影響。3結論用ANSYS仿真的方法研究電磁作動器的特性，方法簡單，容易實現(xiàn)系統(tǒng)多參數(shù)的優(yōu)化,可作為電磁作動器設計的有效工具。在仿真所選范圍內，銜鐵所受電磁力隨鐵芯直徑增加而增加，隨鐵芯長度增加而減少，同等條件下，電磁線圉匝數(shù)越多，電磁力越大。銜鐵所受電磁力與電磁線圈電流和工作氣隙有關，隨電流增大電磁力增大,隨