祝 聰，余光洪, 彭振東

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基于Maxwell的螺管式電磁鐵設(shè)計(jì)分析與研究

祝 聰，余光洪, 彭振東

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所， 武漢 430064）

本文基于電磁場理論和Maxwell仿真軟件，分析了一種螺管式電磁鐵的靜態(tài)吸力特性和動態(tài)吸合過程，并通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了該分析的正確性。研究結(jié)果表明，對電磁鐵進(jìn)行動態(tài)特性分析更接近短時(shí)工作電磁鐵的實(shí)際情況，電磁鐵吸合過程中，線圈電流先增大后減小再增大到穩(wěn)定，鐵芯所受吸力一直增大到穩(wěn)定狀態(tài)，但是在鐵芯完全吸合前所受吸力增大的速度小于吸合后增大的速度，鐵芯動態(tài)吸合過程中所受吸力的最終穩(wěn)定值與靜態(tài)相同氣隙條件下所受吸力值相等。

Maxwell 螺管式電磁鐵 靜態(tài)特性 動態(tài)特性

0 引言

電磁鐵是一種對鐵磁物質(zhì)產(chǎn)生吸力，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電器或電器部件。具有體積小、操作簡單、價(jià)格低廉、推力大、無油氣污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于液壓傳動、氣壓傳動、自動控制等領(lǐng)域[1-4]。

對于斷路器、接觸器、繼電器等開關(guān)電器而言，電磁鐵是常用的動力元件[5-6]。電磁力設(shè)計(jì)太小，電磁鐵無法帶動操動機(jī)構(gòu)，開關(guān)不能正常工作。電磁力設(shè)計(jì)過大，銜鐵完全吸合時(shí)的沖量太大，操動機(jī)構(gòu)運(yùn)行極限位置的沖擊變大，降低了開關(guān)的穩(wěn)定性；同時(shí)開關(guān)閉合時(shí)觸頭速度變大，觸頭彈跳增加，加速了觸頭電磨損；電磁力設(shè)計(jì)增大時(shí)，整個(gè)電磁鐵的體積和重量也會相應(yīng)增大，對于有空間尺寸和重量限制的開關(guān)電器而言，這種設(shè)計(jì)并不可取。由于電磁力與電磁鐵的工作氣隙不是簡單線性關(guān)系，掌握電磁鐵鐵芯運(yùn)動過程中所受吸力的變化情況，對設(shè)計(jì)和分析開關(guān)觸頭的閉合時(shí)間、閉合速度以及彈跳都有著很大的意義[2,7]。

本文基于船用直流開關(guān)的螺管式電磁鐵，運(yùn)用麥克斯韋電磁場理論和能量轉(zhuǎn)換原理，分析了螺管式電磁鐵的受力情況以及該電磁系統(tǒng)的吸合過程，并運(yùn)用Maxwell軟件分析了該電磁鐵工作時(shí)的靜態(tài)和動態(tài)特性，最后通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該分析的正確性。

1 組成結(jié)構(gòu)

圖1為該螺管式電磁鐵的組成結(jié)構(gòu)示意圖。由于是直流電磁鐵，無需考慮渦流的影響，該電磁鐵的殼體、鐵芯和端蓋都是由導(dǎo)磁材料碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號：Q235-A）做成[8]，以便給線圈通電時(shí)形成磁場回路。擋塊是由不導(dǎo)磁材料鋁（牌號：LY12）做成，限制了鐵芯的最大工作行程。插銷、彈簧蓋是固定彈簧用，方便拆卸，而彈簧則用于電磁鐵吸合時(shí)儲能以及釋放時(shí)鐵芯復(fù)位。推桿和推桿頭也是用不導(dǎo)磁材料不銹鋼（牌號：1Cr18Ni9Ti）做成，用于與其他機(jī)構(gòu)相連。由具有一定自潤滑性能的塑料（牌號：PA66）做的線圈骨架固定在殼體中，而線圈纏繞在線圈骨架中。給線圈通電時(shí)，鐵芯在磁場的作用下吸合，彈簧被壓縮；當(dāng)給線圈斷電后，鐵芯又在彈簧力的作用下復(fù)位到初始位置。

圖1 螺管式電磁鐵的結(jié)構(gòu)組成

圖2 電磁鐵理論分析示意圖

2 理論分析

該螺管式電磁鐵的吸力模型分析如圖2。

忽略鐵芯和非工作氣隙的磁壓降，如圖2（a）所示，鐵芯與殼體之間的磁壓降為[9]

——磁路總磁勢

則在鐵芯處的總磁通為

同理在殼體上凸出來與鐵芯相對的圓柱體中處的總磁通為

因此，該螺管式電磁鐵系統(tǒng)的磁鏈為

該螺管式電磁鐵的電壓平衡方程分析如下：

如圖2（b）所示，線圈可以等效成一個(gè)電阻和電感，從電磁上來分析，該回路存在以下電壓平衡方程[10]：

—線圈等效電感，—線圈等效電阻

—鐵芯運(yùn)動速度

2.1 電磁鐵靜磁場分析

如圖1所示建立電磁鐵模型，利用Maxwell 16.0對該螺管式電磁鐵進(jìn)行靜磁場分析。由于靜力分析時(shí)彈簧力是線性變化的，所以本文是在沒有彈簧力作用下對該電磁鐵進(jìn)行靜磁場分析。而導(dǎo)磁材料Q235-A的B-H參數(shù)是非線性的，與材料的成分和制作工藝有關(guān)，目前很少有廠家測量自己生產(chǎn)的Q235-A材料的B-H參數(shù)。本文分析時(shí)采用軟件自帶的Steel1008的參數(shù)代替Q235-A的參數(shù)，最終分析結(jié)果如圖3所示（本文中鐵芯位移與電磁鐵氣隙相同）。由圖可知，隨著氣隙的減小，鐵芯所受的吸力呈指數(shù)增加。而加在線圈兩端的電壓越大，鐵芯所受的吸力也越大，并且隨著氣隙的減小，電壓對鐵芯吸力的影響越大。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)則需要著重考慮電磁鐵在剛開始運(yùn)動以及運(yùn)動過程中阻力最大點(diǎn)時(shí)鐵芯的吸力是否大于機(jī)構(gòu)阻力。

圖3 電磁鐵靜態(tài)分析結(jié)果

2.2 電磁鐵瞬態(tài)運(yùn)動分析

根據(jù)靜態(tài)分析的模型，分析該電磁鐵在不同電壓下的動態(tài)特性，結(jié)果如圖4所示。圖4（c）為鐵芯運(yùn)動過程中位移與時(shí)間的關(guān)系，由圖可知鐵芯在第5ms左右才開始運(yùn)動，這是由于剛開始鐵芯要克服自身重力等阻力導(dǎo)致的。當(dāng)鐵芯運(yùn)動時(shí)，線圈中的電流先增大，后減小，當(dāng)完全吸合時(shí)電流在減小的凹谷上，假如此時(shí)仍然給線圈通電，線圈電流將繼續(xù)增大，直到穩(wěn)定，如圖4（a）所示，這是由于反電動勢導(dǎo)致的。根據(jù)電壓平衡方程（8）可知，反電動勢跟鐵芯的運(yùn)動速度有關(guān)，剛開始時(shí)，鐵芯運(yùn)動速度小，反電動勢小，線圈電流在電感的影響下緩慢上升，當(dāng)鐵芯速度增大到一定值時(shí)，反電動勢占主導(dǎo)，此時(shí)線圈電流開始減小，鐵芯速度越快，線圈電流越小，當(dāng)鐵芯完全吸合前瞬間，鐵芯速度達(dá)到最大，線圈電流減小到該峰最低點(diǎn)處，而鐵芯完全吸合后，鐵芯速度變成零，反電動勢消失，線圈電流在電感影響下又緩慢上升直到平衡。如圖4（b）所示，鐵芯所受的吸力則是一直保持增大，當(dāng)線圈電流穩(wěn)定后鐵芯吸力也達(dá)到平衡，只是在鐵芯吸合前，由于反電動勢的影響，鐵芯所受吸力增大的速度比吸合后慢。對比圖3和圖4還可以知道在相同氣隙條件下，鐵芯動態(tài)所受到的吸力小于靜態(tài)分析結(jié)果，這主要是由于鐵芯運(yùn)動過程中反電動勢的影響。短時(shí)工作的電磁鐵實(shí)際工況主要是鐵芯的運(yùn)動過程，了解電磁鐵動態(tài)特性對設(shè)計(jì)該類電磁鐵十分重要。

圖4 電磁鐵動態(tài)分析結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)研究

按照圖1的結(jié)構(gòu)加工物理樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。圖5（a）為電磁鐵鐵芯靜態(tài)吸力測試現(xiàn)場照片，給電磁鐵線圈加電后，直接用測力器（儀器：電子拉力試驗(yàn)機(jī)Ay-5）測量鐵芯的吸力。由于直接測量鐵芯運(yùn)動過程中的吸力比較困難，本文通過測量鐵芯吸合過程中線圈電流的變化來分析電磁鐵的動態(tài)特性，測量方法如圖5（b）所示，當(dāng)給電磁鐵線圈加電壓時(shí)，用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分流器來檢測線圈中電流的變化情況，并通過12V的輔助回路來檢測鐵芯開始運(yùn)動和吸合到位的時(shí)間。

3.1 鐵芯靜態(tài)吸力特性

如圖6所示為該電磁鐵鐵芯靜態(tài)吸力實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本實(shí)驗(yàn)所用測力器一次只能連續(xù)自動測量10個(gè)數(shù)據(jù)，并且每次測量都必須緩慢進(jìn)行，因此必須給電磁鐵通電一段時(shí)間，而本文所涉及的電磁鐵是短時(shí)工作制的，即電磁鐵鐵芯吸合后必須立刻斷電，否則電磁鐵會嚴(yán)重發(fā)熱，并可能導(dǎo)致線圈燒壞。因此，為了避免線圈燒壞，本文只進(jìn)行160 V低電壓實(shí)驗(yàn)，而且只測量氣隙1~10 mm之間鐵芯的吸力（鐵芯位移等同于磁鐵氣隙）。從圖6可以看出當(dāng)氣隙較大時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相近，但仍然有一定差別，并且隨著氣隙的減小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果差別增大。分析原因有兩方面：一方面是實(shí)驗(yàn)材料的B-H參數(shù)與實(shí)際材料參數(shù)不同導(dǎo)致；另一方面則是實(shí)驗(yàn)時(shí)隨著氣隙減小，通電時(shí)間變長，線圈溫度上升導(dǎo)致的，而仿真沒有考慮溫度的影響。

圖6 電磁鐵靜態(tài)吸力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 電磁鐵動態(tài)特性

圖7為電磁鐵動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖7（a）為鐵芯運(yùn)動過程中線圈電流的變化情況，圖7（b）為相應(yīng)的輔助信號采集結(jié)果。從圖中可以知道當(dāng)鐵芯剛開始運(yùn)動時(shí)，線圈電流大于零，鐵芯在運(yùn)動過程中，線圈電流先增大后減小，當(dāng)線圈電流減小到凹谷時(shí)，鐵芯完全吸合，然后線圈電流再次增大直到穩(wěn)定，這與前面仿真分析結(jié)果完全一致。圖7（b）中的電壓信號在鐵芯吸合后出現(xiàn)多次跳動，這是由于鐵芯吸合撞擊殼體底部出現(xiàn)多次彈跳造成的。

圖7 電磁鐵動態(tài)特性測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文結(jié)合電磁鐵仿真計(jì)算與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，分析了電磁鐵鐵芯的靜態(tài)吸力與動態(tài)吸合特性，結(jié)論如下：

1） 電磁鐵鐵芯的吸力隨著氣隙的減小呈指數(shù)增大，并且電磁鐵在吸合過程中，由于反電動勢等因素的影響鐵芯所受到的瞬時(shí)吸力小于相同氣隙靜態(tài)吸力；

2） 電磁鐵在吸合過程中，線圈的電流先增大后減小，當(dāng)線圈電流減小到凹谷時(shí)鐵芯完全吸合，鐵芯吸合后線圈電流繼續(xù)增大直到穩(wěn)定；

3） 電磁鐵吸合過程中鐵芯所受的吸力逐漸增大直到穩(wěn)定，在鐵芯完全吸合后所受到的吸力增大的速度比完全吸合前增大速度大，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)鐵芯所受的吸力與靜態(tài)分析相同氣隙條件下所受吸力值相同。

目前，本文的研究還停留在如何獲取電磁鐵的靜態(tài)吸力特性和動態(tài)吸合特性，后續(xù)可以著重研究如何改變電磁鐵的動態(tài)線圈電流特性以及獲得所需要的特性曲線。

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Analysis and Research on Solenoid Electromagnet Based on Maxwell

Zhu Cong, Yu Guanghong, Peng Zhendong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM574

A

1003-4862（2017）12-0076-05

2017-09-15

祝聰（1989-），男，助理工程師。研究方向：開關(guān)電器設(shè)備、超聲振動裝置。E-mail: zcongtnt@163.com