基于Ansoft及AMESim的電磁鐵動(dòng)態(tài)特性仿真分析_王揚(yáng)(精)

1、2008年9月第36卷第9期機(jī)床與液壓MACH I N E T OOL &HY DRAUL I CSSep 12008Vol 136NO 19Hfl.'IV,= U IIJI收稿日期：2007-12-10基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50675203作者簡(jiǎn)介：王揚(yáng)彬，男，浙江大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)碩士研究。電話247, E -mail:wybha ngzhou yahoo 1com 1cn, zdyb wan g1631con。基于Ans oft及A MESim的電磁鐵動(dòng)態(tài)特性仿真分析王揚(yáng)彬，徐兵，劉英杰（浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,

2、浙江杭州310027摘要：介紹了電磁鐵及電磁閥的結(jié)構(gòu)及工作原理，建立了基于Ans oft的電磁鐵仿真模型和基于AMESi m的電磁閥整體仿真模型。通過(guò)將電磁鐵Ans oft模型分析結(jié)果導(dǎo)入AM ESi m仿真模型中，、,獲得比較準(zhǔn)確的電磁鐵動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)關(guān)鍵詞：Ans oft; AMESi m ;電磁鐵；耦合中圖分類號(hào):TH13717文獻(xiàn)標(biāo)識(shí) 碼:-(-2ynam i c Character isti csSole no i d Ba sed on An soft and AM ES imWANG Yan gbi n, XU B in g, L lU Yin gjie(The State Ke

3、y Laborat ory of Fluid Po wer Contr ol and Trans m issi on, Han gzhouZhejia ng 310027, Chi naAbstract:The mecha ni cal con figurati on and work p rinci p le of the s ole noid valve were described . The si m ulati on model of the s o 2le noid based on Ans oft and the en tire si m ulati on model of th

4、e s ole noid valve based on AM ESi m were built . The si m ulati on result of the Ans oft s ole noid model was made use of in build ing the AMESi m s ole noid valve model . The coup le si m ulati on of electr omag netic cir 2cuit, mecha ni cal components and hydraulic system was realized, the more p

5、 recise dynam ical characteristic si m ulati on results of thes ole noid were obta ined .Keywords:A ns oft; AMEsi m ; The s ole no id; Coup le0 概述隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)的迅速發(fā) 展，電液控制技已經(jīng)能夠完 成各種復(fù)雜的控制。具有高可靠性的電磁閥由于其在價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在 智能控制、無(wú)線控制等領(lǐng)域。電磁鐵作為電磁閥的 電液轉(zhuǎn)換執(zhí)行器，其動(dòng)靜態(tài)性能直接影響電磁閥的性能，如何合理簡(jiǎn)便地設(shè)計(jì)出滿足性能要求的電磁鐵，是設(shè)計(jì)人員需要解決的首要問(wèn)題

6、。早期的電磁鐵設(shè)計(jì)主要是通過(guò)大量的試驗(yàn)測(cè)試來(lái)完成 耗費(fèi)較大的資源，研發(fā)周期也較長(zhǎng)。隨著仿真技術(shù)的日漸成熟，各類專業(yè)仿真軟件已 經(jīng)成為公司研發(fā)產(chǎn)品、 縮短 產(chǎn)品研發(fā)周期必不可少的 分析設(shè)計(jì)軟件。但各仿真軟件都有一定的應(yīng)用范圍，同 時(shí)各專業(yè)仿真軟件的側(cè)重點(diǎn)也不同。電磁仿真軟件Ans oft和系統(tǒng)仿真軟件AMESi m ,二者在電磁鐵設(shè)計(jì) 上的功能結(jié)構(gòu)不同，但卻具有很強(qiáng)的互補(bǔ) 性。AMESi m能夠根據(jù)電磁鐵的結(jié)構(gòu)參數(shù)便捷地構(gòu)建整個(gè) 電磁鐵乃至整個(gè)電磁 閥的仿真模型，但其電磁鐵模型 基于磁路理論構(gòu)建，準(zhǔn)確性降低；而Ans oft是基于物理原型的有限元建模分析，在電磁方面能夠提供比較 準(zhǔn)確的電磁仿真結(jié)

7、果，但系 統(tǒng)分析能力不強(qiáng)，不能進(jìn)行強(qiáng)耦合分析。筆者綜合兩仿真軟件的分析優(yōu)勢(shì),將Ans oft的電磁鐵分析仿真結(jié)果編成AMESi m系統(tǒng)仿真時(shí)可調(diào)用的 數(shù)據(jù)表格,對(duì)整個(gè)電磁閥進(jìn)行建模分析,來(lái)獲得電 磁鐵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果。由于綜合了兩仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)，使得仿真數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，因而對(duì)設(shè)計(jì)人員改進(jìn)電磁鐵 的性能，能夠起到一定的指導(dǎo)作用。1 電磁閥系統(tǒng)模型的建立筆者研究的電磁閥是液壓支架上比較常用的電液控制基本元件，該閥為開關(guān)電磁鐵驅(qū)動(dòng)的二位三通電 磁閥，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)輸入控制電壓信號(hào)后，電磁鐵得電，電磁鐵輸出電磁力經(jīng)緩沖器后推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，使閥口打開同時(shí)關(guān)閉回油口T,液壓油進(jìn)入負(fù) 載口 A;當(dāng)切斷電壓信

8、號(hào)后，電磁鐵失電，在復(fù)位彈 簧的作用下，使 閥口關(guān)閉的同時(shí)打開回流口 T。其主 要結(jié)構(gòu)如圖1所示。電磁閥結(jié)構(gòu)圖111電磁鐵模型11111電磁線圏回電路方程U =IR +d/d t （1式中:U、I、R、分別為電源電壓（V、線圈中電流（A、回路電 阻（Q、磁路磁鏈（W b。式（1中是電流I和行程X的函數(shù),可表示為珂（N ,1, X （2式中:N為線圈匝數(shù)。11112 F =m （d 2x /d t 2+F f(X d 3式中:m為電的（kg; X m ; F為電磁鐵輸 出力（N ; F f （x , F f d x /d分別為與運(yùn)動(dòng)部分的位移和速度有關(guān)的反作用力（N。11113 電磁鐵吸力方程電

9、磁輸出力是電流I和行程x的函數(shù)，其方程為F =f (I, x(4氣隙、電流及電感的函數(shù)：F =g (I, X,A濟(jì)亍n *(5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)。11114 電磁鐵模型在Ans oft建立電磁鐵求解模型，如圖2所示,在求解器中定義氣隙及安匝數(shù) 進(jìn)行變參分析，并選擇電磁力及電感作為求解對(duì)象1=1I;IJ?圖2 電磁鐵Ans oft仿真模型112 電磁閥仿真模型通過(guò)Ans oft的靜態(tài)計(jì)算后，可得到相對(duì)于銜鐵氣 隙和安匝數(shù)變化的結(jié)果，再 把得到關(guān)于電流及氣隙的 電磁力及電感的有關(guān)數(shù)據(jù),按照AMESi m 2D數(shù)據(jù)表格式創(chuàng)建數(shù)據(jù)文件，完成電磁鐵在AMESi

10、m仿真的數(shù) 據(jù)準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)文件三維曲線如 圖3、4所示。圖3 電磁力與安匝數(shù)、氣隙關(guān)系7 , A' 77 W，/昇 II1/、氣隙關(guān)系A(chǔ)ns oft變參分析得到了電磁輸出力、電感與 安匝數(shù)、氣隙關(guān)系的數(shù)據(jù)表，通 過(guò)AMESi m電磁模塊E MLT40子模型把所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)讀入電磁閥仿真 模型, 創(chuàng)建完整的電磁閥仿真模型，實(shí)現(xiàn)電磁回路、機(jī)械部件和液壓系統(tǒng)之間的耦合，模 型如圖5疔挙所示。圖5 電磁閥仿真模型2仿真分析結(jié)果電磁閥的仿真參數(shù)如表1所示。表1仿真參數(shù)表 電壓N12線圈匝數(shù)/tr2320線圈電阻/ Q 6壓力源/MPa3115復(fù)位彈簧剛度/(N ? mm0185復(fù)位彈簧預(yù)緊力/N

11、4125圖6 電流與時(shí)間關(guān)系曲線在0101s時(shí)給電磁鐵輸入一階躍電壓信號(hào)，研究電磁鐵及整個(gè)電磁 閥動(dòng)態(tài)變化特性。圖6是電磁鐵電流與時(shí)間關(guān) 系變化曲線，圖7是電磁力與時(shí)間關(guān)系變化曲線，圖8是電磁鐵閥芯運(yùn)動(dòng)變化曲線。（下轉(zhuǎn)第108頁(yè)501?第9期王揚(yáng)彬等：基于Ans oft及AM ESi m的電磁鐵動(dòng)態(tài)特性仿真分?jǐn)?shù)據(jù)分塊與曲面 構(gòu)造功能。其 過(guò)程包 括首先利 用Detect Curvature功能根據(jù) 計(jì)算的曲率結(jié)果找出多邊形 數(shù)據(jù)中的特征線（Cont our L ine。在特征曲線的基礎(chǔ)上,利用Con struct P atches功能在多邊形數(shù)據(jù)上自動(dòng) 生成四邊形網(wǎng)格（圖4。由于 自動(dòng)生成的四

12、邊形網(wǎng) 格往往呈現(xiàn)不規(guī)則的網(wǎng)狀，還可以利用網(wǎng)格編輯功能 將其排成比較規(guī)則的網(wǎng)格面。然后利用Con struct Grid功能為每一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)建立 UV參數(shù) 線,最后使用Fit Surface功能為每一個(gè)四邊形網(wǎng)格自動(dòng)生成曲面片（圖5-1II /宅一A*造型完成后，軟件還可以對(duì)曲面進(jìn)行整體的光 順、合并以及誤差分析等操作，同時(shí)還可輸出ST L、I GES和STEP等十幾種輸出格式,可方便地與其它CAD /CAM/CAE軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。圖6是用Geomagic構(gòu)造的米老鼠玩具模型,其中圖（a是經(jīng)編輯后的特征線和 四邊形網(wǎng)格，II圖（b為擬合得到的曲面模型。圖6 基于Geomagic的玩具模型重構(gòu)相

13、對(duì)于傳統(tǒng)曲面重構(gòu),Geo magic基于對(duì)多邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)的處理，在數(shù)據(jù)分割與曲面重建方面已具備了 一定的自動(dòng)化功能，簡(jiǎn)化 了處理流程，但在曲面連續(xù) 性方面目前只能實(shí)現(xiàn)G1連續(xù)。3 結(jié)論逆向工程中的CAD建模技術(shù)已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè) 計(jì)、零件修復(fù)、動(dòng)畫以及 數(shù)字媒體等諸多領(lǐng)域,在數(shù)據(jù)獲取與處理、曲面擬合、商用專業(yè)軟件等方面的研究開發(fā)上也已取得了很大進(jìn)展。但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，整個(gè)過(guò)程仍需借助操作人員的經(jīng)驗(yàn)，模型重構(gòu)的質(zhì)量 仍直接受到操作者經(jīng)驗(yàn)、水平的影響，例如對(duì)于Geo magic中構(gòu)建特征曲線以及劃分四邊形網(wǎng)格等關(guān)鍵性步驟。但相對(duì)于傳統(tǒng)CAD重構(gòu)方式,以Geo magic軟件為代表的快速構(gòu)面方式已提

14、供有部分自動(dòng)處理功 能，體現(xiàn)了降低對(duì)操作人員 依賴性的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)理論研究的深入與轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步提高軟件的智能化程度 與重構(gòu)效率，是未來(lái)發(fā)展的方向。參考文獻(xiàn)【1】柯映林，等.反求工程建模理論、方法和系統(tǒng)M.北京：2005.【T R . Reverse engineering ofJ .Co mp uter 2A ided (4 :255-268.3】余國(guó)鑫,成思源,張湘?zhèn)?等.典型逆向工程C AD建模系統(tǒng)的比較J .機(jī)械設(shè)計(jì)，2006, 23(12 :1-3.【4】T Varady, M A Facell o .New trends in digital sha pe rec 2on stru

15、cti o n G.l n:M arti n RR, Bez H, Sabi nM , ed 2it oes . The mathe matics of surfaces X I . S p rin ger, 2005:395-412.【5】金濤，童水光，等.逆向工程技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.【6】韓景蕓，褚國(guó)民.快速反求設(shè)計(jì)應(yīng)用J .C AD /CAM與制造業(yè)信息化，2003(7 :90-92.(上接第105頁(yè)從圖6 8可以看出：(1在輸入階躍電壓后，電磁鐵電流是隨著時(shí) 間變化呈非線性變化。當(dāng)銜鐵移 動(dòng)時(shí)，隨著磁阻變 小,線圈電感增大，產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電動(dòng) 勢(shì)，線圈電流 變化率變小。當(dāng)銜鐵移動(dòng)結(jié)束(圖6中點(diǎn)A ,即電磁閥打開到位，線圈電感不再發(fā) 生變化，此時(shí)電流按新的時(shí)間常數(shù)繼續(xù)增大 。(2電磁鐵輸入電壓信號(hào)后，經(jīng)過(guò)0103s才克服負(fù)載反力，推動(dòng)閥芯開始運(yùn)動(dòng)， 經(jīng)過(guò)01086s后閥芯 完全打開。(3電磁鐵輸出力隨著時(shí)間的增加而增大，直到0117s才達(dá)到電磁鐵最大輸出力 61196N。3 總結(jié)筆者通過(guò)有限元軟件Ans oft及系統(tǒng)仿真軟件AMESi m,建立了完整的 電磁閥模型，實(shí)現(xiàn)了電磁回路、機(jī)械部件和液壓系統(tǒng)之間的耦合。由于電磁鐵仿 真是基于