序言

    作動器，或者叫螺線管，是一種通電以后產生磁場來控制銜鐵實現理想力矩和位移的設備。銜鐵為鐵磁物質，受到磁場作用后產生吸力并把電能轉化成機械能，用于對負載的速度、方向、位移、力進行控制。

    作動器，有時候也稱為制動器、電磁閥、電磁鐵等，其應用領域很廣，如燃料噴射器（油閥的電磁閥）、電能分配器（斷流器、斷路器、繼電器、接觸器等）、各種汽車、液壓工業應用等。

    本文使用ANSYS公司的Maxwell V16，Simplorer 11．0和ANSYS WorkbenchTM(ANSYS MechanicalTM和ANSYS CFD)軟件對電磁作動器進行了多物理域系統級協同仿真分析。

結構簡述

    作動器的結構形式有很多，但工作原理基本相同。典型的電磁作動器包含一個繞制在鐵極片的多匝線圈和一個可移動的銜鐵。此外，外殼框架的鐵心部分，為磁通提供閉合回路。圖1展示了框架、磁極片、線圈和銜鐵的幾何結構。

圖1 三維軸對稱結構典型電磁作動器視圖

    當電磁作動器連接上電壓源時，線圈中通過電流并產生磁通形成磁力，驅動銜鐵從開啟位置移動到閉合位置。有些電磁作動器可采用永磁體來輔助建立磁通或者幫助銜鐵在線圈電壓關斷時保持在一定的位置。音圈作動器使用永磁體產生磁通和線圈電流相互作用，使得線圈中產生洛倫茲力。這些設備可能是二維或和三維結構，運動部件可能是旋轉運動或者是非圓柱運動（如搖桿擺動）。

    作動器中的銜鐵、磁極片和框架均為鐵磁材料，建模時考慮了非線性BH曲線飽和效應對設備性能的影響。銜鐵形狀和尺寸的設計，以及與磁極片的匹配都會影響作動器關閉時刻的力能指標。另外，線圈的設計決定了其電阻和電感值，尤其是電感，因為它正比于線圈匝數的平方乘以非線性鐵磁材料和空氣氣隙的總磁阻。UR的比值為設備的電氣時間常數，這個值決定了線圈中電流上升的速度，而設備中磁場建立的速度取決于電渦流，因而電磁擴散時間也會影響作動器性能。

    圖2顯示了作動器在電壓源激勵條件下的瞬態磁通密度云圖。在線圈電流快速上升期間，磁通還沒有來得及擴散到作動器的整個磁路前，集中分布在作動器的內表面上，這也延遲了銜鐵力場的建立時間，從而延遲了閉合時間。類似道理，當外加電壓源關斷后從設備上撤銷磁場時，由于殘磁的存在也會延遲作動器銜鐵的重新打開時間。圖2插圖顯示了考慮電渦流后局部磁場擴散過程，隨著時間推進，磁場穿過設備壁厚，銜鐵受力增加，最后，一旦受力克服了彈簧和負載反作用力后銜鐵閉合。

圖2 瞬態仿真0.001S后的磁密圖

靜態和瞬態仿真分析

    Maxwell的靜態或者瞬態求解器可以完成作動器二維和三維電磁場分析。通常，在靜態仿真中把線圈的形狀系數、匝數和線徑以及幾何尺寸等參數設為參數化／優化變量，改變線圈電流和銜鐵位置值而輸出一組反映力和位置的曲線。由于Maxwell使用了自動自適應網格剖分技術，從而使變量的參數化、優化掃描變得非常的容易。

    除了靜態方法以外，使用Maxwell瞬態求解器可以仿真考慮了電氣控制和機械負載條件下，銜鐵到達閉合位置的速度問題。本文給出了一個強有力的仿真案例：外加激勵電壓源為任意波形（或者使用Maxwell自帶的外電路編輯器，同時考慮材料的非線性，考慮機械的運動方程（包含了阻尼、負載力，而且它們都可以是關于位置、速度或者時間的函數），考慮電渦流和磁擴散，其仿真結果如圖3所示。

圖3 采用Maxwell自帶的外電路編輯器實現斬波電流激勵

    瞬態仿真結果給出了位置波形、線圈電流和二極管電流波形。

系統仿真

    Simplorer是功能強大的多域機電系統設計與仿真分析軟件，用于電氣、電磁、電力電子、控制等機電一體化系統的建模、設計、仿真分析和優化。Simplorer提供了多種建模語言，包括電路、方框圖、狀態機、方程、VHDL-AMS.SML以及C/C++等標準建模語言。這些語言可混合使用，輕松建立模擬、數字和混合信號的多域設計模型。

    對于需要高精度建模的系統組件，Simplorer能夠直接和業界領先的ANSYS@電磁場仿真工具動態鏈接，包括Maxwell，Q3D Extractor，RMxprtTM，PExprtTM，ANSYS Icepak和ANSYS MechanicalTM等。這種協同仿真技術和模型降階技術讓Simplorer具有強大的基于物理原型的系統建模和仿真能力。

    在本作動器案例中，若需要更精確的的電路模型，Simplorer可以與Maxwell協同仿真（在Maxwell中考慮了材料的非線性、電渦流和磁擴散），或者使用等效電路模型（等效電路是作動器位置和電流參數化掃描結果，同時忽略了線圈的渦流效應）。圖4展示了Simplorer平臺下多物理域部件無縫集成的協同仿真系統：設備級的電力電子器件、閉環控制系統、精確的二維或者三維作動器模型、以及機械或者液壓負載等。驅動電路與Maxwell有限元模型通過瞬態鏈接實現協同仿真；機械管腳直接連接定義重量、力、彈簧和停止位限制的裝置等。

熱-應力仿真

    一旦在電磁場仿真分析中得到時域下的線圈和鐵芯損耗，就可以通過ANSYN WB環境映射到ANSYS MechanicalTM或者ANSYS CFD（計算流體動力學）中做熱分析，如圖5所示。電磁場分析得到的平均損耗空間分布映射到ANSYS熱模型中，通過直接定義或由CFD軟件計算得傳熱系數，再通過瞬態熱性能和熱循環分析得到作動器的穩態溫度。

總結

    ANSYS集成化設計平臺，提供了電磁作動器電磁場有限元精確分析和設計工具，既能完成作動器本體靜態、瞬態磁場分析，也能完成熱場、電路和系統分析。可以幫助公司便捷、準確地實現無縫集成的一體化作動器設計流程，通過高精度仿真，最大限度的減少制作樣機的次數，縮短開發周期，降低開發成本，有利于公司在激烈競爭中脫穎而出。

圖4 Simplorer平臺下作動器系統級仿真

    左圖為線圈電流、電壓隨銜鐵位置變化的曲線，右圖為銜鐵受力對時間的波形。

圖5 ANSYS WB可直接映射電磁損耗到靜態或者動態熱模型中，實現電磁、熱耦合分析

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本文標題：電磁作動器多物理域分析

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