顧珈歡， 賀 成

（中國制動海泰制動公司， 江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著科學技術(shù)不斷地向前發(fā)展， 各行各業(yè)產(chǎn)業(yè)機械化、自動化程度不斷提高，電磁鐵作為一種電機械轉(zhuǎn)換裝置，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)等諸多領(lǐng)域[1]。 電磁鐵是一種以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)開發(fā)出的的電器轉(zhuǎn)換裝置，它的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、可產(chǎn)生較大的吸力、無污染、動作可靠等。其主要應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域，可以很好地滿足車輛上遠程緩解指令的工作需求。 遠程緩解電磁鐵需要對空開進行遠程復位，提高了列車的安全可靠度，所以開展遠程復位裝置的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義[2]。

在實際生產(chǎn)中， 有些領(lǐng)域?qū)Ｓ玫碾姶盆F的工況要求其具有行程大、電磁力大、響應(yīng)時間短等特點，然而相關(guān)的研究和報道還鮮有見聞[3]。 作者提出了用于操縱列車空開復位的一種新型大吸力長行程電磁鐵， 該電磁鐵行程大、磁力大、體積小、可靠性高。 由于這些特性，其瞬時功率較大，存在線圈溫升過高的風險，極易導致電磁鐵燒損或失效。 為此，作者提出的一種新型大功率遠程緩解電磁鐵，將電路控制模塊與電磁鐵集為一體，可設(shè)定其控制電路的通電時長，從而保護電磁鐵避免過熱損壞。 本文針對這一點展開了充分的設(shè)計及仿真分析，首先，利用Ansoft仿真軟件對設(shè)計得到的電磁鐵進行靜態(tài)磁場仿真分析，討論大功率電磁鐵在不同氣隙下的磁密分布情況， 分析材料對電磁鐵工作特性的影響。 然后利用ANSAYS 仿真軟件模擬電磁鐵通電時動態(tài)特性， 建立磁熱耦合物理場仿真環(huán)境，分析其通電規(guī)定時長后溫升狀態(tài)，根據(jù)實際情況確定通電時長。 最后通過溫升試驗進行驗證。

1 電磁鐵結(jié)構(gòu)及工作原理

作為一種把電氣控制信號轉(zhuǎn)換為機械信號的遠程緩解裝置，它是利用線圈在通電后產(chǎn)生電磁力，以驅(qū)動銜鐵來推動空氣開關(guān)實現(xiàn)遠程復位的一種將電能轉(zhuǎn)換成為磁能，然后轉(zhuǎn)換成機械能的裝置。 它主要由銜鐵、鐵芯和線圈等構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖

遠程緩解電磁鐵的結(jié)構(gòu)組成簡單，但由于磁性材料的線性損耗、磁滯損耗、渦流損耗等原因，線圈溫度會升高，導致電磁鐵的磁勢大小和磁阻會隨著線圈溫度的變化而變化，因此考慮電磁鐵的溫升問題也極為重要。 本型號電磁鐵自主設(shè)計了控制電路， 其目的就是為了在電磁鐵能夠可靠完成動作后斷開激勵，從而避免線圈長時間通電過熱，導致電磁鐵失效。

電路控制部分由濾波、防護電路、驅(qū)動電路、保護電路和MOS 管組成。濾波、防護電路由磁珠、電容和TVS 管組成，防止外部干擾對驅(qū)動電路的誤觸發(fā)和防護功能。驅(qū)動電路和MOS 管共同驅(qū)動線圈得失電，從而控制閥體裝置的動作。 保護電路可以使模塊在啟動幾秒后將MOS 管進行切斷，實現(xiàn)對復位模塊的保護，對復位模塊所控設(shè)備的保護。 其中電路控制部分原理見圖2。

圖2 電路控制原理

為了得到合理的設(shè)計參數(shù)還需要結(jié)合電磁仿真、溫度場仿真， 對電磁鐵結(jié)構(gòu)進行設(shè)計并反復計算。

2 有限元電磁仿真分析

2.1 電磁場數(shù)學模型

通常磁路計算或著數(shù)值計算方法對電磁鐵結(jié)構(gòu)和工作特性進行計算與分析。 磁鐵結(jié)構(gòu)復雜的磁路計算量較大、過程復雜、偏差較大、極易出錯，而有限元數(shù)值計算法目前已經(jīng)成了各種電磁場、 電磁波工程問題定量分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要計算方式， 通過采用計算機求解微分或積分形式的磁場位勢方程，發(fā)現(xiàn)磁場的分布規(guī)律，是一種快速、準確、可靠的設(shè)計計算方法。 磁場的分析采用麥克斯韋方程組，方程組包含法拉第電磁感應(yīng)定律、麥克斯韋、安培定律、高斯電通定律、高斯磁通定律和電荷守恒定律等方程[4]，它是宏觀電磁場問題的基石，又是電磁場有限元分析的依據(jù)。 麥克斯韋方程組如下所示[5-8]：

磁場強度H 滿足安培環(huán)路定理，即

式中：n—沿積分表面外法線單位向量；S—氣隙處銜鐵端面面積。

2.2 有限元仿真分析

遠程緩解電磁閥整體外形尺寸較小， 動鐵芯行程較大，經(jīng)過充分的調(diào)研分析，認為該閥體材料采用DT4E 軟磁材料。文中設(shè)計的電磁鐵是軸對稱結(jié)構(gòu)，采用坐標系為Cylindrical aboutZ 的靜磁場求解器，只需建立電磁鐵的一半模型即可。 模型建立后， 還要給出求解邊界、激勵源、網(wǎng)格劃分、材料設(shè)置、求解參數(shù)等[9]，相關(guān)仿真參數(shù)的設(shè)置見表1。

表1 電磁鐵仿真參數(shù)表

電磁鐵的靜態(tài)特性主要取決于其結(jié)構(gòu)和材料，通過改變相應(yīng)參數(shù)的大小分析0～20mm 氣隙下的靜態(tài)特性，為電磁鐵結(jié)構(gòu)的設(shè)計和工作特性的討論提供參考。

額定電壓下電磁鐵的磁感應(yīng)強度分布見圖3。

圖3 磁感應(yīng)強度云圖

電磁鐵的工作效率受電磁鐵工作點設(shè)計很大的影響， 最佳工作點的位置一般應(yīng)取值于鐵心材料磁化曲線的膝點附近。如果工作點設(shè)計在膝點上方，那么材料工作在過飽和狀態(tài)，太多的磁勢消耗在了鐵心的磁阻上，大大減小了電磁鐵的工作效率；如果工作點設(shè)計在膝點下方，則相比同樣質(zhì)量的電磁鐵輸出有用功就會小， 電磁鐵質(zhì)量不可以實現(xiàn)充分利用[10-11]。 由圖4 DT4C 的磁化曲線可知，DT4C 材料膝點的磁感應(yīng)強度為1.5T， 磁場強度為1200A/m。對照遠程緩解電磁鐵的磁感應(yīng)強度云圖可知選用DT4C 作為銜鐵及鐵芯材料較為理想。

圖4 DT4C 材料B-H 曲線圖

由磁力線分布情況可知該結(jié)構(gòu)漏磁較少，能效較高。磁力線分布情況見圖5。

圖5 電磁鐵磁力線分布圖

通過改變鐵芯位移參數(shù)得到鐵芯在不同氣隙下所受電磁力值，結(jié)果見圖6。

圖6 DC110V 時不同間隙下的力值

3 受力分析

遠程復位裝置鐵芯的平衡由電磁力、摩擦力、重力、彈簧彈力構(gòu)成。 根據(jù)有限元電磁力仿真結(jié)果結(jié)合實際工況可做如下分析：

鐵芯重力約為0.46N，頂板重力約為0.147N，頂桿重力約為0.033N，彈簧重力約為0.0025N。

3.1 得電分析

根據(jù)仿真結(jié)果可知常溫額定電壓下通電瞬間電磁吸力約為29.5N 。

F合=F電磁力-F重=28.893N（方向向上） （8）

通過仿真計算得到動鐵芯合力約為28.893N，且方向向上，則動鐵芯可以克服反力快速向上運動。

鐵芯運動20mm 后，氣隙約0mm 時，復位彈簧被壓縮至最短，動鐵芯受到一個向下的力，仿真計算得到此時所受電磁力為88.3N。

F合=F電磁力-F重-F彈=88.3-0.607-17.6=70.093N（方向向上） （9）

通過仿真計算得到動鐵芯合力約為70.093N，且方向向上，則可以保證動鐵芯穩(wěn)定吸合。

（3）當電磁鐵推動空開且所受阻力最大時（約為10N），電磁鐵的力值約31.2N，合力約為20.6N，方向向上，可保證空開被推起。

3.2 失電分析

為保證遠程復位裝置在5%額定電壓下正常釋放，頂部增加復位彈簧設(shè)計。 此時動鐵芯需克服電磁力向下運動，根據(jù)仿真分析結(jié)果知此時所受電磁力為1.6N。

通過仿真計算得到動鐵芯合力約為16.607N，且方向向上，則可以保證動鐵芯快速復位。

3.3 動作響應(yīng)時間分析

利用Ansays 動態(tài)仿真模塊，對遠程復位裝置的吸合動作過程進行仿真，仿真結(jié)果見圖7， 完成吸合動作所需時長為37.8ms。 滿足工況要求。

圖7 吸合過程鐵芯位移曲線

4 磁熱耦合場仿真分析

由于本文提出的遠程緩解電磁鐵工況要求較為苛刻，需要設(shè)計尺寸小、行程大、電磁力大，因此其功率自然較大。 再加上磁性材料的線性損耗、磁滯損耗、渦流損耗等原因，線圈溫升會較高，導致電磁鐵的磁勢大小和磁阻會隨著線圈溫度的變化而變化， 嚴重者將導致電磁鐵失效和燒損。因此考慮電磁鐵的溫升問題也極為重要。本型號電磁鐵設(shè)計了控制電路， 其目的就是為了在電磁鐵能夠可靠完成動作后斷開激勵， 從而避免線圈長時間通電過熱電磁鐵失效。

本章通過Ansays 熱耦合功能對電磁鐵進行熱仿真設(shè)計，以此確定保護電路的通斷時間。

4.1 材料參數(shù)

材料參數(shù)種類較多，部分部件材料參數(shù)難以確認，通過近似材料進行設(shè)定，見圖8。

圖8 遠程緩解電磁鐵主要部件材料類型

4.2 遠程緩解電磁鐵有限元建模

對遠程緩解電磁鐵進行有限元建模，由于遠程緩解電磁鐵殼體為鑄造件，且零件造型較為復雜，通過四面體進行劃分，具體有限元模型見圖9。

圖9 遠程緩解電磁鐵有限元模型

4.3 接觸與邊界條件

遠程緩解電磁鐵內(nèi)部零件之間采用接觸設(shè)置， 零部件空隙通過抽取空間域，并賦予材料（空氣）進行簡化，具體接觸對分布見圖10。

圖10 遠程緩解電磁鐵模型接觸分布

遠程緩解電磁鐵溫度場分析計算的邊界條件較為簡單，第一種邊界條件為熱功率，由線圈發(fā)熱產(chǎn)生，第二種邊界條件為外殼對流換熱，且為自然對流換熱。 環(huán)境溫度初定為22℃，見圖11。

圖11 遠程緩解電磁鐵模型邊界條件

4.4 溫度場仿真結(jié)果

按照最大發(fā)熱功率為315.6W，運行2s 進行仿真，可知線圈最大溫度44.4℃，外殼最大溫度29.3℃，符合漆包線絕緣耐熱等級要求，且電磁鐵的動作響應(yīng)時間在30ms之內(nèi)， 因此將控制電路的通斷時間設(shè)置為2s 較為合適。這樣即可保證電磁鐵可靠的動作到位， 也可保護電磁鐵避免線圈溫度過高導致失效，見圖12 和圖13。

圖12 遠程緩解電磁鐵外殼溫度分布云圖

圖13 遠程緩解電磁鐵線圈溫度分布云圖

5 試驗驗證

采用拉力試驗臺對遠程緩解電磁鐵進行力值測試，所得結(jié)果與仿真結(jié)果相比效果見圖14。

圖14 仿真與試驗磁力值對比圖

由對比結(jié)果可知，本文所設(shè)計的電磁鐵在輸出力值上達到了設(shè)計要求，能夠快速可靠的將空氣開關(guān)推起。 采用電阻法進行電磁閥的溫升測試， 額定電壓下，線圈的溫升應(yīng)滿足絕緣材料溫升限值要求。

根據(jù)下式計算線圈的平均溫升值t：

式中：t—線圈平均溫升 （℃）；t1—試驗開始時的線圈溫度（℃）；t2—試驗結(jié)束時的線圈溫度（℃）；ta—試驗結(jié)束時的周圍空氣溫度 （℃）；R1—試驗開始時的線圈阻值（Ω）；R2—試驗結(jié)束時的線圈阻值（Ω）；α—線圈的溫度系數(shù)（1/234.5）。

常溫狀態(tài)下通110V 電壓2s，測量線圈電阻值并換算溫升值，溫升數(shù)據(jù)下。

測試結(jié)果見表2， 遠程緩解電磁鐵在常溫狀態(tài)下試驗的最后溫升在27.5℃，滿足設(shè)計要求。

表2 溫升試驗數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

圖15 電磁鐵溫升試驗圖

本文提出了一種大吸力長行程專用的大功率遠程緩解電磁鐵，用于遠程復位空氣開關(guān)。 詳細介紹了其結(jié)構(gòu)特點及工作原理， 這種電磁鐵具有行程大、磁力大、響應(yīng)快等特點。提出了一種嵌入式保護電路，可設(shè)定其控制電路的通電時長，從而保護電磁鐵避免過熱損壞。

在建立數(shù)學模型的基礎(chǔ)上， 利用Maxwell 有限元仿真軟件建立了仿真模型，通過仿真分析，可準確反映電磁鐵的性能；利用Ansays 熱耦合功能對電磁鐵進行熱仿真設(shè)計，以此確定保護電路的通斷時間。設(shè)計人員可根據(jù)需求適當調(diào)整相關(guān)參數(shù)， 優(yōu)化結(jié)構(gòu)， 節(jié)約了材料與時間成本，提高了效率。 最后通過試驗驗證試制樣機的性能，試驗結(jié)果與仿真設(shè)計結(jié)果相差不大，均滿足設(shè)計要求。