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 CSSep 12008Vol 136NO 19Hfl.'IV,= U IIJI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247, E -mail:wybha ngzhou yahoo 1com 1cn, zdyb wan g1631con。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关键词：Ans oft; AMESi m ;电磁铁；耦合中图分类号:TH13717文献标识 码:-(-2ynam i c Character isti csSole no i d Ba sed on An soft and AM ES imWANG Yan gbi n, XU B in g, L lU Yin gjie(The State Ke

3、y Laborat ory of Fluid Po wer Contr ol and Trans m issi on, Han gzhouZhejia ng 310027, Chi naAbstract:The mecha ni cal con figurati on and work p rinci p le of the s ole noid 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 ulati on model of th

4、e s ole noid valve based on AM ESi m were built . The si m ulati on result of the Ans oft s ole noid model was made use of in build ing the AMESi m s ole noid valve model . The coup le si m ulati on of electr omag netic cir 2cuit, mecha ni cal components and hydraulic system was realized, the more p

5、 recise dynam ical characteristic si m ulati on results of thes ole noid were obta ined .Keywords:A ns oft; AMEsi m ; The s ole no id; Coup le0 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。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性能要求的电磁铁，是设计人员需要解决的首要问题

6、。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

7、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

8、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。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,可表示为珂（N ,1, X （2式中:N为线圈匝数。11112 F =m （d 2x /d t 2+F f(X d 3式中:m为电的（kg; 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

9、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,A济亍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1=1I;IJ?图2 电磁铁Ans oft仿真模型112 电磁阀仿真模型通过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

10、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7 , A' 77 W，/昇 II1/、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疔挙所示。图5 电磁阀仿真模型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/tr2320线圈电阻/ Q 6压力源/MPa3115复位弹簧刚度/(N ? mm0185复位弹簧预紧力/N

11、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数据分块与曲面 构造功能。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 P atches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

12、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5-1II /宅一A*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，II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

13、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

14、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 . Reverse engineering ofJ .Co mp uter 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 sha pe rec 2on stru

15、cti 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 rin ger, 2005:395-412.【5】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