基于Ansoft及AMESim的电磁铁动态特性仿真分析_王扬(精)

1、2008 年 9 月第 36 卷第 9 期 机床与液压 MACH I N E T OOL &HY DRAUL I CS Sep 12008 Vol 136No 19 收稿日期:2007-12-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目（50675203 作者简介：王扬彬，男，浙江大学机械电子工程专业硕士研究 。电话:0571- 87952500-247, E -mail:wybha ngzhou yahoo 1com 1cn, zdyb wan g1631com 基于 Ans oft 及 A MESim 的电磁铁动态特性仿真分析王扬彬，徐兵，刘英杰 (浙江大学流体传动及控制国家重点实验室

2、,浙江杭州 310027 摘要：介绍了电磁铁及电磁阀的结构及工作原理，建立了基于 Ans oft 的电磁铁 仿真模型和基于 AMESi m 的电磁阀整体仿真模型。通过将电磁铁 Ans oft 模型分 析结果导入AM ESi m 仿真模型中，、,获得比较准确的电磁铁动态特性仿真结 果，。 关键词：Ans oft; AMESi m ;电磁铁；耦合中图分类号:TH13717 文献标识 码:-(-2 ynam i c Character isti cs Sole no i d Ba sed on An soft and AM ES im WANG Ya ngbi n, XU B in g, L IU

3、Yin gjie (The State Key Laborat ory of Fluid Power Contr ol and Trans m issi on, Hangzhou Zhejiang 310027, China Abstract:The mechanical configurati on and work p rinci p le of the s olenoid valve were described . The si m ulati on model of the s o 2le noid based on Ans oft and the en tire si m ulat

4、i on model of the s ole noid valve based on AM ESi m were built . The si m ulati on result of the Ans oft s olenoid model was made use of in building the AMESi m s ole noid valve model . The coup le si m ulati on of electr omag netic cir 2 cuit, mecha ni cal comp onents and hydraulic system was real

5、ized, the more p recise dynam ical characteristic si m ulati on results of the s ole noid were obta ined . Keywords:A ns oft; AMEsi m ; The s ole no id; Coup le 0 概述 随着电子技术、计算机技术、控制技术的迅速发 展，电液控制技已经能够完 成各种复杂的控制。具有高可靠性的电磁阀由于其在价格上的优势 ，广泛应用在 智能控制、无线控制等领域0电磁铁作为电磁阀的 电液转换执行器，其动静态性 能直接影响电磁阀的性 能，如何合理简便地设计出满足

6、性能要求的电磁铁 ，是设计 人员需要解决的首要问题。早期的电磁铁设计主要是通过大量的试验测试来完成 耗费较大的资源，研发周期也较长。 随着仿真技术的日渐成熟，各类专业仿真软件已 经成为公司研发产品、 缩短 产品研发周期必不可少的 分析设计软件。但各仿真软件都有一定的应用范围，同 时各专业仿真软件的侧重点也不同。电磁仿真软件 Ans oft 和系统仿真软件 AMESi m ,二者在电磁铁设计 上的功能结构不同，但却具有很强的互补 性。AMESi m 能够根据电磁铁的结构参数便捷地构建整个 电磁铁乃至整个电磁 阀的仿真模型，但其电磁铁模型 基于磁路理论构建，准确性降低；而 Ans oft 是基于

7、物理原型的有限元建模分析，在电磁方面能够提供比较 准确的电磁仿真结果，但系 统分析能力不强，不能进行强耦合分析。 笔者综合两仿真软件的分析优势,将 Ans oft 的电磁铁分析仿真结果编成 AMESi m 系统仿真时可调用的 数据表格,对整个电磁阀进行建模分析,来获得电 磁铁的动态响应结果。由于综合了两仿真软件的优点 ，使得仿真数据更为准确，因 而对设计人员改进电磁铁 的性能，能够起到一定的指导作用。 1 电磁阀系统模型的建立 笔者研究的电磁阀是液压支架上比较常用的电液 控制基本元件，该阀为开关电 磁铁驱动的二位三通电 磁阀，其结构如图 1 所示。当输入控制电压信号后，电磁铁 得电，电磁铁输出

8、电磁力经缓冲器后推动阀芯 运动，使阀口打开同时关闭回油口 T, 液压油进入负 载口 A;当切断电压信号后，电磁铁失电，在复位弹 簧的作用下，使 阀口关闭的同时打开回流口 T。其主 要结构如图 1 所示。 图 1 电磁阀结构图 111 电磁铁模型 11111 电磁线圏回电路方程 U =IR +d /d t （1 式中:U、I、R、分别为电源电压（V、线圈中电流（A、回路电 阻（Q、磁路磁链（W b。 式（1 中是电流 I 和行程 x 的函数，可表示为= （N ,1, x （2 式中:N 为线圈 匝数。11112 F =m （d 2 x /d t 2 +F f (x d 3 式中:m 为电的（kg

9、 ; x m ; F 为电磁铁输 出力（N ; F f （x , F f d x /d 分别为与运 动部分的位移和速度有关的反作用力 （N 。 11113 电磁铁吸力方程 电磁输出力是电流 I 和行程 x 的函数，其方程为 F =f (I, x (4 气隙、电流及电感的函数 F =g (I, x. N (5 通过上面的理论分析可知，电磁铁吸力是与气 隙、安匝数相关的函数。11114 电磁铁模型 在 Ans oft 建立电磁铁求解模型，如图 2 所示,在求解器中定义气隙及安匝数 进行变参分析，并选择电 磁力及电感作为求解对象 图 2 电磁铁 Ans oft 仿真模型 112 电磁阀仿真模型 通过

10、 Ans oft 的静态计算后，可得到相对于衔铁气 隙和安匝数变化的结果，再 把得到关于电流及气隙的 电磁力及电感的有关数据,按照 AMESi m 2D 数据表格 式创建数据文件，完成电磁铁在 AMESi m 仿真的数 据准备。数据文件三维曲线如 图 3、4 所示。 图 3 电磁力与安匝数、气隙关系 Ans oft 变参分析得到了电磁输出力、 电感与 安匝数、气隙关系的数据表，通 过AMESi m 电磁模块 E MLT40 子模型把所得到的相关数据读入电磁阀仿真 模型, 创建完整的电磁阀仿真模型，实现电磁回路、 机械部件和液压系统之间的耦合，模 型如图 5-1 所示。 图 5 电磁阀仿真模型

11、2 仿真分析结果 电磁阀的仿真参数如表 1 所示。 表 1 仿真参数表 电压N12线圈匝数/tr 2320 线圈电阻/ Q 6 压力源/MPa 3115 复位弹簧刚度/(N ? mm 0185 复位弹簧预紧力/N 4125 图 6 电流与时间关系曲线 在 0101s 时给电磁铁输入一阶跃电压信号，研究电磁铁及整个电磁 阀动 态变化特性。图 6 是电磁铁电流与时间关 系变化曲线，图 7 是电 磁力与时间关系变化曲 线，图 8 是电磁铁阀芯运动变化曲线。 （下转第 108 页 ? 501?第 9 期王扬彬等：基于 Ans oft 及 AM ESi m 的电磁铁动态特性仿真分 析 数据分块与曲面 构

12、造功能。其 过程包 括首先利 用 Detect Curvature 功能根据 计算的曲率结果找出多边形 数据中的特征线（Cont our L ine。在特征曲线的基础 上,利用Con struct Patches 功能在多边形数据上自动 生成四边形网格（图 4。由于 自动生成的四边形网 格往往呈现不规则的网状，还可以利用网格编辑功能 将其排 成比较规则的网格面。然后利用 Con struct Grid 功能为每一个网格内建立 UV 参数 线,最后使用 Fit Surface 功能为每一个四边形网格自动生成 曲面片（图 5 o 造型完成后，软件还可以对曲面进行整体的光 顺、合并以及误差分析等 操

13、作，同时还可输出ST L、 I GES和STEP等十几种输出格式,可方便地与其它 CAD /CAM/CAE软件进行数据交换。 图 6 是用 Geomagic 构造的米老鼠玩具模型,其中图（a 是经编辑后的特征线和 四边形网格， 图（b 为拟合得到的曲面模型。 图 6 基于 Geomagic 的玩具模型重构 相对于传统曲面重构,Geo magic 基于对多边形网 格数据的处理，在数据分割与曲面重建方面已具备了 一定的自动化功能，简化 了处理流程，但在曲面连续 性方面目前只能实现 G1 连续。3 结论 逆向工程中的 CAD 建模技术已广泛应用于产品设 计、零件修复、动画以及 数字媒体等诸多领域,在

14、数据获取与处理、曲面拟合、商用专业软件等方面的研 究开发上也已取得了很大进展。但在实际应用当中 ，整个过程仍需借助操作人员的 经验，模型重构的质量 仍直接受到操作者经验、水平的影响，例如对于 Geo magic 中 构建特征曲线以及划分四边形网格等关键 性步骤。但相对于传统 CAD 重构方式,以 Geo magic 软 件为代表的快速构面方式已提供有部分自动处理功 能，体现了降低对操作人员 依赖性的发展趋势。通过理论研究的深入与转化，进一步提高软件的智能化程度 与重构效率，是未来发展的方向。 参考文献 【1】柯映林，等反求工程建模理论、方法和系统 M.北京：2005.【T R . Revers

15、e engineering of J .Computer 2A ided (4 :255-268. 3】余国鑫,成思源,张湘伟,等.典型逆向工程 C AD 建 模系统的比较J .机械设计,2006, 23(12 :1-3.【4】T Varady, M A Facell o . New trends in digital shape rec 2 on structi o n G.l n:M arti n RR, Bez H, Sabi nM , ed 2it oes . The mathe matics of surfaces X I . S p ringer, 2005:395-412. 【5

16、】金涛，童水光，等.逆向工程技术M.北京:机械 工业出版社，2003. 【6】韩景芸，褚国民.快速反求设计应用J .C AD / CAM 与制造业信息化，2003(7 :90-92. (上接第 105 页 从图 6 8 可以看出： (1 在输入阶跃电压后，电磁铁电流是随着时 间变化呈非线性变化。当衔铁移 动时，随着磁阻变 小,线圈电感增大，产生阻碍电流变化的感应电动 势，线圈电流 变化率变小。当衔铁移动结束(图 6 中点 A ,即电磁阀打开到位，线圈电感不再发 生变化，此时电 流按新的时间常数继续增大 。 (2电磁铁输入电压信号后，经过 0103s 才克服负载反力，推动阀芯开始运动, 经过01086s 后阀芯 完全打开。 (3 电磁铁输出力随着时间的增加而增大，直到 0117s 才达到电磁铁最大输出力 61196N。3 总结 笔者通过有限元软件 Ans oft 及系统仿真软件 AMESi m,建立了完整的 电磁阀模型，实现了电磁回路、机械部件和液压系统之间的耦合。 由于电磁铁仿 真是基于物理原型