趙繼國(guó),冀 宏,蘇瑪亮,陳乾鵬,李瑞鋒

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050; 2.甘肅省液壓氣動(dòng)工程技術(shù)研究中心,甘肅蘭州 730050)

銜鐵結(jié)構(gòu)對(duì)比例電磁鐵行程-力特性的影響

趙繼國(guó)1,2,冀 宏1,2,蘇瑪亮1,2,陳乾鵬1,2,李瑞鋒1,2

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050; 2.甘肅省液壓氣動(dòng)工程技術(shù)研究中心,甘肅蘭州 730050)

建立了比例電磁鐵有限元仿真模型,利用Ansoft Maxwell2D電磁場(chǎng)有限元仿真軟件對(duì)銜鐵長(zhǎng)度、銜鐵上推桿孔的深度和孔徑、銜鐵前端和尾部倒角及圓角對(duì)比例電磁鐵行程-力特性的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明:銜鐵長(zhǎng)度對(duì)比例電磁鐵工作行程內(nèi)電磁力大小和水平程度有比較明顯的影響;推桿孔的深度和孔徑越大,靠近吸合面的電磁力越小;銜鐵前端倒角對(duì)比例電磁鐵行程-力特性影響比較明顯;銜鐵前端圓角、尾部倒角和圓角對(duì)比例電磁鐵行程-力特性的影響很小;銜鐵前端加工圓角可以增大比例電磁鐵工作行程,但這是以減小工作行程內(nèi)電磁力為代價(jià)的。

比例電磁鐵;銜鐵;行程-力特性;Ansoft

比例電磁鐵作為電液比例閥最常用的關(guān)鍵電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件,具有推力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)油質(zhì)要求不高、成本低廉和維修方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。其作用是將比例控制放大器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成力或位移信號(hào)輸出,軸向推力與電流成正比且在工作行程內(nèi)保持恒定(水平行程-力特性)[2]。比例電磁鐵良好的性能對(duì)電液比例閥的可靠性和穩(wěn)定性具有非常重要的作用,而銜鐵又是比例電磁鐵重要的可動(dòng)部件。因此,研究銜鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比例電磁鐵行程-力特性的影響顯得尤為重要。

比例電磁鐵行程-力特性的影響因素很多,良好的行程-力特性很難得以保證。近年來,國(guó)內(nèi)外諸多研究人員對(duì)影響比例電磁鐵行程-力特性的因素開展了相關(guān)的研究,文獻(xiàn)[3]中研究了電磁鐵各個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)(銜鐵與導(dǎo)套的徑向間隙、隔磁環(huán)前端斜面角度、隔磁環(huán)前端幾何形狀及導(dǎo)套厚度等)對(duì)比例電磁鐵行程-力特性的影響;文獻(xiàn)[4]中研究了比例電磁鐵固定鐵芯與可動(dòng)鐵芯錐面形狀、吸合面位置和材料對(duì)電磁力的影響;文獻(xiàn)[5]中研究了比例電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)(初始工作氣隙、側(cè)向氣隙等)對(duì)吸力水平特性的影響;文獻(xiàn)[6]中研究了銜鐵材料分別為DT4c、1J6、1J60時(shí),隔磁角大小對(duì)電磁鐵行程-力特性的影響,得到的結(jié)論為設(shè)計(jì)和優(yōu)化比例電磁鐵提供了一定的依據(jù)。

研究利用Ansoft Maxwell2D電磁場(chǎng)有限元仿真軟件,對(duì)比例電磁鐵銜鐵長(zhǎng)度、銜鐵上推桿孔的深度和孔徑、銜鐵前端(靠近推桿側(cè))和尾部倒角及圓角對(duì)其行程-力特性的影響進(jìn)行仿真研究,揭示銜鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)與電磁鐵行程-力特性之間的關(guān)系,為進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化電磁鐵提供更加全面的理論依據(jù)。

1 比例電磁鐵結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1給出了比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)圖。比例電磁鐵主要由銜鐵、極靴、外殼、線圈、隔磁環(huán)、導(dǎo)套和推桿等組成。銜鐵、極靴、外殼和導(dǎo)套是由導(dǎo)磁材料制成,隔磁環(huán)、推桿和線圈是由非導(dǎo)磁材料制成。其中隔磁環(huán)被焊接在極靴和導(dǎo)套中間形成鐵芯管,鐵芯管具有足夠的耐壓強(qiáng)度,可承受高達(dá)35 MPa的靜壓力[7]。

圖2給出了比例電磁鐵的磁路分布,隔磁環(huán)把磁路分成Φ1和Φ2兩部分,其中Φ1沿盆型穿過軸向非工作間隙、極靴、外殼和銜鐵形成閉合的磁路,產(chǎn)生軸向推力F1,Φ2沿盆型邊緣穿過徑向工作氣隙、極靴、外殼和銜鐵產(chǎn)生軸向附加力F2,二者綜合得到比例電磁鐵的電磁力F,如圖3所示。

圖1 比例電磁鐵結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of ratio electromagnet

圖2 比例電磁鐵磁路分布Fig.2 Magnet circuit of ratio electromagnet

圖3 比例電磁鐵行程-力特性Fig.3 Ratio electromagnet stroke-force characteristics

2 模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

描述一般電磁場(chǎng)微分形式的麥克斯維基本方程組,即

其中:ε為介質(zhì)的介電常數(shù)(F/m);μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率(H/m);σ為介質(zhì)的電導(dǎo)率(S/m)。對(duì)于各項(xiàng)同性介質(zhì),ε、μ、σ是標(biāo)量,對(duì)于各項(xiàng)異性介質(zhì),它們是張量[8]。

考慮到磁場(chǎng)為結(jié)構(gòu)對(duì)稱的穩(wěn)定磁場(chǎng),可將式(3)寫為分量形式:

2.2 仿真模型

圖4為比例電磁鐵有限元仿真模型,這里設(shè)置求解域邊界條件為氣球邊界條件,激勵(lì)安匝數(shù)為1 449 A,行程為5 mm。由于極靴、銜鐵和隔磁環(huán)對(duì)求解精度影響較大,因此將極靴、銜鐵和隔磁環(huán)局部的網(wǎng)格進(jìn)行加密以提高求解精度。另外,比例電磁鐵本身結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性,取其一半結(jié)構(gòu),利用Ansoft Maxwell2D電磁場(chǎng)有限元仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,以提高計(jì)算速度。表1給出了比例電磁鐵各零部件材料分配。

圖4 比例電磁鐵仿真模型Fig.4 Simulation Model of ratio electromagnet

表1 比例電磁鐵各零部件材料分配Table 1 Accessories allocation of ratio electromagnet

3 仿真結(jié)果及分析

比例電磁鐵行程-力特性主要取決于其結(jié)構(gòu)和材料,圖5為比例電磁鐵仿真參數(shù)示意圖。這里結(jié)合某電磁鐵制造企業(yè)實(shí)際存在的問題,針對(duì)比例電磁鐵銜鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)(銜鐵長(zhǎng)度L、銜鐵上推桿孔的深度H和孔徑D、銜鐵前端和尾部倒角及圓角)對(duì)行程-力特性的影響進(jìn)行仿真研究。

圖5 仿真參數(shù)Fig.5 Diagram of simulation parameters

圖6為銜鐵長(zhǎng)度對(duì)比例電磁鐵行程-力特性的影響曲線。由圖6可以看出:銜鐵長(zhǎng)度對(duì)比例電磁鐵工作行程影響很小,但對(duì)工作行程內(nèi)電磁力的大小和水平程度有比較明顯的影響。隨著銜鐵長(zhǎng)度的增大,工作行程內(nèi)電磁力逐漸增大,增幅逐漸減小,水平程度也逐漸變好?？紤]到銜鐵是電磁鐵重要的可動(dòng)部件之一,在直徑不變時(shí),減小長(zhǎng)度可以縮短其動(dòng)作時(shí)間。因此,在銜鐵設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮其對(duì)電磁鐵行程-力特性的影響,又要考慮對(duì)動(dòng)作時(shí)間的影響。

圖6 銜鐵長(zhǎng)度對(duì)位移-力特性的影響Fig.6 The influence of armature length on displacement-force characteristics

圖7(a)為比例電磁鐵銜鐵上推桿孔深度對(duì)其行程-力特性的影響曲線,計(jì)算結(jié)果表明:推桿孔深度對(duì)比例電磁鐵工作行程影響很小;對(duì)距離吸合面0～2 mm內(nèi)的電磁力有一定影響,孔越深電磁力越小。

圖7(b)為比例電磁鐵銜鐵上推桿孔孔徑對(duì)其行程-力特性的影響曲線,從仿真結(jié)果可以看出:孔徑對(duì)電磁鐵工作行程影響很小;對(duì)距離吸合面0～2 mm內(nèi)的電磁力有一定影響,孔徑越大電磁力越小。

圖7 銜鐵上推桿孔的深度和孔徑對(duì)位移-力特性的影響Fig.7 The influence of depth and aperture of armature＇s pushrod hole on displacement-force characteristics

圖8(a)為比例電磁鐵銜鐵前端倒角對(duì)其行程-力特性的影響曲線,從仿真結(jié)果可以看出:銜鐵前端倒角的大小對(duì)比例電磁鐵工作行程和電磁力大小均有比較明顯的影響。隨著銜鐵前端倒角的增大,比例電磁鐵工作行程逐漸縮短,電磁力逐漸增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著銜鐵前端倒角的增大,磁通Φ2的增大超過Φ1的減小,導(dǎo)致軸向附加力F2的增大大于軸向力F1的減小,導(dǎo)致合力F增大。所以,在設(shè)計(jì)銜鐵時(shí),要根據(jù)比例電磁鐵的設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制銜鐵前端倒角的大小,以保證比例電磁鐵工作的可靠性。

圖8(b)為比例電磁鐵銜鐵前端圓角對(duì)其行程-力特性的影響曲線,從仿真曲線可以看出:銜鐵前端圓角的變化對(duì)比例電磁鐵工作行程和電磁力大小影響均很小。

從圖8(a)和(b)可以看出,比例電磁鐵銜鐵前端倒角和圓角在0～0.6 mm變化的過程中,倒角較圓角對(duì)其工作行程和電磁力大小的影響更加明顯,所以,銜鐵前端盡量設(shè)計(jì)成圓角。

圖8 銜鐵前端倒角和圓角對(duì)行程-力特性的影響Fig.8 The influence of front chamfers and circular bead of armature on the stroke-force characteristics

圖9給出了比例電磁鐵銜鐵前端相同數(shù)值倒角和圓角對(duì)其行程-力特性影響的對(duì)比曲線,從圖9(a)和(b)可以看出:銜鐵前端相同數(shù)值的倒角和圓角對(duì)比例電磁鐵工作行程和電磁力大小均有明顯的影響;與相同數(shù)值大小的倒角相比,圓角可以增大比例電磁鐵工作行程,但是,這是以犧牲電磁力為代價(jià)的,并且倒角和圓角的數(shù)值越大,對(duì)比例電磁鐵行程-力特性的影響也越顯著。

圖9 銜鐵前端相同數(shù)值倒角和圓角對(duì)行程-力特性影響的對(duì)比Fig.9 Comparison of the influence of front chamfers and circular bead of same numerical of armature on the stroke-force characteristics

圖10為比例電磁鐵銜鐵尾部倒角和圓角對(duì)其行程-力特性的影響曲線。由仿真曲線可知:銜鐵尾部倒角和圓角的變化對(duì)比例電磁鐵工作行程和電磁力大小影響也很小。

圖10 銜鐵尾部倒角和圓角對(duì)行程-力特性的影響Fig.10 The influence of rear chamfers and circular bead of armature on the stroke-force characteristics

圖11給出了比例電磁鐵銜鐵尾部相同數(shù)值倒角和圓角對(duì)其行程-力特性影響的對(duì)比曲線。從圖11 (a)和(b)可以看出:銜鐵尾部相同數(shù)值的倒角和圓角對(duì)比例電磁鐵工作行程和電磁力大小影響均很小。

圖11 銜鐵尾部相同數(shù)值倒角和圓角對(duì)行程-力特性影響的對(duì)比Fig.11 Comparison of the influence of rear chamfers and circular bead of same numerical of armature on the stroke-force characteristics

4 結(jié)論

(1)比例電磁鐵銜鐵長(zhǎng)度對(duì)其工作行程影響很小,但是,對(duì)工作行程內(nèi)電磁力的大小和水平程度有比較明顯的影響。隨著銜鐵長(zhǎng)度的增加,工作行程內(nèi)的電磁力逐漸增大,增幅逐漸減小,水平程度也逐漸變好。銜鐵上推桿孔的深度和孔徑對(duì)比例電磁鐵工作行程影響很小,但對(duì)靠近吸合面的電磁力有一定的影響,隨著深度和孔徑的增大,靠近吸合面的電磁力逐漸減小。因此,在設(shè)計(jì)電磁鐵銜鐵時(shí),首先要保證銜鐵的長(zhǎng)度,其次,保證推桿安裝到銜鐵上工作可靠的前提下,盡量將銜鐵上的推桿孔設(shè)計(jì)成細(xì)短孔。

(2)銜鐵前端倒角對(duì)比例電磁鐵工作行程和電磁力大小都有比較明顯的影響,隨著倒角的增大,比例電磁鐵工作行程逐漸減小,電磁力逐漸增大。銜鐵前端圓角、尾部倒角和圓角對(duì)比例電磁鐵工作行程和電磁力大小影響很小。因此,在設(shè)計(jì)銜鐵時(shí),一定要根據(jù)比例電磁鐵的設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制銜鐵前端倒角的大小,以保證比例電磁鐵工作的可靠性。

(3)銜鐵前端加工圓角可以增大比例電磁鐵工作行程,但這是以減小比例電磁鐵工作行程內(nèi)電磁力為代價(jià)的;加工倒角可以增大工作行程內(nèi)的電磁力,但會(huì)縮短工作行程。因此,要根據(jù)比例電磁鐵實(shí)際工作要求,合理設(shè)計(jì)銜鐵前端的結(jié)構(gòu)。

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The Influence of Armature Structure on Ratio Electromagnet Stroke-force Characteristics

Zhao Jiguo1,2,Ji Hong1,2,Su Maliang1,2,Chen Qianpeng1,2,Li Ruifeng1,2
(1.College of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China; 2.Research Center for Hy draulics and Pneumatics Engineering of Gansu Province,Lanzhou730050,China)

It establishes a ratio electromagnet finite element simulated model,and use the Ansoft Maxwell2D electromagnetic field finite element simulation software to make stimulation calculation on the influence of armature length,pushrod＇s depth and aperture of armature,the armature front and rear＇s chamfer and circular bead on ratio electromagnet stroke-force characteristics.The results show that:the length of the armature have significant effect on the electromagnetism size and level degree in the working process of the ratio electromagnet.The larger of the depth and aperture of pushrod hole,the smaller of the electromagnetism that nears the actuation surface.The front chamfer of armature has significant effect on ratio electromagnet stroke-force characteristics.The front circular bead and rear chamfer and circular bead has little influence on ratio electromagnet stroke-force characteristics.Armature front processing circular bead can increase ratio electromagnet stroke-force,but it is at the cost of reducing electromagnetism within the working operation.

Ratio electromagnet;Armature;Stroke-force characteristics;Ansoft

TH137

:A

:1004-0366(2016)05-0089-06

2015-04-30;

:2015-06-15.

趙繼國(guó)(1984-),男,甘肅永昌人,碩士研究生,研究方向?yàn)榱黧w傳動(dòng)與控制技術(shù).E-mail:zjgfx_122＠163.com.

Zhao Jiguo,Ji Hong,Su Maliang,et al.The Influence of Armature Structure on Ratio Electromagnet Stroke-force Characteristics[J].Journal of Gansu Sciences,89-93,129.[趙繼國(guó),冀宏,蘇瑪亮,等.銜鐵結(jié)構(gòu)對(duì)比例電磁鐵行程-力特性的影響[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(5):89-93,129.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.021.