基于Ansoft的电磁激振器磁场仿真与研究

摘 要:文章针对滚动振动试验台的建造,拟用电磁激振器模拟试验台振动。利用EI型电磁激振器的I型衔铁受吸力不同而模拟不同的运动行程。在研究电磁激振器基本结构的基础上,利用电磁场仿真软件Ansoft得出了电磁激振器的磁力线与磁场分布,就不同气隙大小与激励电流大小的情况下,仿真得出激振器吸力随气隙及电流的变化曲线,为进一步研究设计试验台用电磁激振器提供了参考数据。

关键词:滚动振动试验台;电磁激振器;电磁铁;Ansoft仿真计算

中图分类号:TN753.4 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2014)27-0003-02

1 电磁激振器基本结构与工作原理

振动机械中应用的电磁式激振器,通常由带有线圈的电磁铁铁芯和衔铁组成,在铁芯与衔铁之间装有弹簧。当向线圈输入交流电,或交流电加直流电,或半波整流后的脉动激振器电路电流时,便可产生周期变化的激励力,这种激振器通常是将衔铁直接固定于需要振动的工作部件上。本文的仿真实验,由于源量和场量均为不随时间变化的空间坐标函数,所以客观静态电磁场的物理现象将呈现单一的电场或磁场效应。

电磁式激振器的核心由两部分构成:一是螺线管,即用漆包铜线密绕在矩形铁芯上的多匝线圈;二是EI型硅钢片叠成的铁芯,单绕组绕线方式如图1所示。

根据右手螺旋定则,通电螺线管会在其内部铁芯中产生磁场,电流越大,产生的磁场也越大。由于线圈绕制在中间铁芯上,中间铁芯内部会产生磁场,磁场由中部铁芯导通向E型铁芯的两端铁芯,此时E型铁芯内部形成磁流,在E型铁芯上端覆盖I型衔铁,如果衔铁与E型铁芯距离够小,则磁场可通过空气气隙进入衔铁,在整个激振器内部形成完整的闭合磁路。磁场流动方向可由线圈中电流控制,电流通入方向不同则磁场流向方向不同。直流电通入线圈会使铁芯产生一个偏磁力,吸引上方衔铁。

根据电磁学基本公式:F=■

可以看出,当选取不同截面积的铁芯和不同材料的铁芯会影响电磁力的大小。

2 电磁激振器结构及计算模型

模拟试验台上试验列车的振动,需要的吸力较常规激振器要大的多,由于模拟振动试验台空间体积的限制,其内部可安装的电磁激振器数量有限,因普通列车簧上重量约为10 t,综合体积大小与吸力需求确定此吸力式电磁激振器要产生1 t左右的力才能满足试验台需求,由电磁学基本公式确定电磁激振器结构见表1。

其中,计算区域尺寸为整个模型外阔50 mm大小,其区域施加“气球边界条件”,使其磁场既不平行于也不垂直于边界,依此将计算区域等效为一个无限空间;I型衔铁与E型铁芯均设为系统默认材料steel_1008,线圈设为默认copper材料,整个求解区域材料设为空气。

根据上述理论分析和基本的尺寸数据,合理简化实物模型并设置好各项基本参数条件后成功建立了电磁激振器的仿真模型。在Ansoft软件中建立三维有限元模型,将整个求解区域进行离散化,通过迭代的方法求解得到矢量磁位的数值解,得到有限元网格剖分,如图2所示。

在线圈上设置截面,在截面上以面电流形式加载激励电流,设置I型衔铁为力与力矩研究对象,并且在整个电磁激振器的周围建立空气场单元。

3 磁场分析及受力计算

根据上述仿真模型进行求解运算,得出电磁激振器的磁力线分布特征及整个激振器内部磁场分布,如图3所示。

EI型电磁激振器中气隙大小的改变量即为I型衔铁的运动行程,由于气隙的存在,使得E型铁芯的磁场出端出现漏磁,漏磁通越大,通过衔铁的主磁通越小,衔铁受力越小,故当气隙较小时,可以通以较小电流以维持力能需求,当气隙变大时,为了保证吸力不变,需要适当的增加电流强度以维持吸力。仿真模型以电流面形式加载,即以加载1安匝的电流大小,实际中考虑电流源的供能大小与安全,可以用增加线圈匝数的方法等效的减小电流源大小,In=n×1,其中In为仿真用电流面加载电流,n,I为实际线圈匝数与电流大小。仿真模型中模拟In从1 000 A加载到17 000 A,气隙大小从1 mm到5 mm变化,得出结果如图4所示。

对图4分析可见:在气隙大小不变的情况下,随着电流的逐渐增加,激振器吸力逐渐增大,在电流保持不变,吸力大小随气隙的增大而减小。当电流从1 000 A增加到5 000 A时,不论在何种气隙情况下,吸力大小与电流大小基本呈现线性增加的趋势,气隙越小,线性效果越显著,当电流超过5 000 A时,随着电流的增加,吸力增量越来越小,因为铁芯内部能通过的磁通量是有限的,电流产生的磁场在铁芯中聚磁,当铁芯内部的磁通达到饱和时,多余的磁通就从铁芯边端沿空气泄露,形成漏磁通,漏磁通的产生要对铁芯主磁路产生一定影响,漏磁通越大影响越大,故一味的增加电流带来的并非好的效果,所以要根据需要的气隙行程大小合力的选择激励电流的大小。

图中曲线给出了激振器吸引力与电流、气隙大小的关系,由图可以看出,在吸引力大小一定,以60 kN为例,当气隙为

1 mm时,需要电流为3 500 A左右,当气隙为5 mm时,需要电流11 000 A,可见气隙对于吸力及所需电流的影响很大,即使是很微小的气隙改变,都会较严重的影响吸力强度,若想精确改变气隙行程,就要对电流的加载进行精确的控制。

4 结 语

通过上述分析计算可得如下结论:

①通过Ansoft软件对电磁激振器进行仿真,观察其磁力线及内部磁场分布,得出了模型的磁力线走势,观察主磁路与漏磁路,符合理论分析,因此电磁激振器模型的设计是合理有效的。

②通过对电磁激振器气隙与电流仿真得出了电磁激振器的吸力随气隙、电流变化的分布规律,研究和分析了模型磁路的磁饱和,为其工作电流的饱和区域提供了参考。

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