比例电磁铁的有限元磁力分析

张伦威，许益民

(武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉430081)

有很多影响比例电磁铁位移力特性的因素，作者选择不同的铁芯长度、线圈位置、隔磁角角度和衔铁形状等因素，依据静态电磁场数值计算原理，在有限元软件ANSYS 中建立了比例电磁铁的物理模型，并对改变结构参数后的模型进行了仿真和分析。结果表明，这些因素对比例电磁铁位移力特性的影响程度各不相同，据此可以获得优化位移力特性的方法。

1 电磁力产生原理

电磁铁线圈通有自由电流时，将产生磁场Hs，因为场域内存在铁磁材料，铁磁材料被磁化后，会产生磁化电流Im，磁化电流同自由电流一样，同样适用于毕奥萨伐尔定律，磁化电流将产生磁化磁场Hm。在空间中任一点的磁场强度是电流源部分产生磁场Hs和磁化磁场Hm两部分的叠加。

磁场作用在物体上的磁场力可以由以下积分公式求出，即:

式中:B 为磁感应强度。

由上述公式可见，磁力大小与变量磁感应强度B有关，B 的改变会引起磁力大小的改变。作者主要是从改变磁感应强度的疏密程度和方向，以及磁路磁阻对比例电磁铁进行仿真分析。

2 比例电磁铁的结构仿真及分析

电磁铁结构较为复杂，影响电磁铁性能的因素很多，作者主要分析了电磁铁衔铁端面形状、铁芯长度和线圈位置对电磁铁磁力的影响。

2.1 电磁铁衔铁端面形状对电磁力的影响

作为电磁铁的力输出元件，衔铁的结构对电磁铁的性能有着很重要的作用。文中通过改变其端面形状，在衔铁左端面切去角度为β 的环形楔形块。切去角度为β 的环形部分如图1 所示(β 分别取0°，20°，30°，40°，50°)，获得了不同形状下的位移力特性，如图2 所示。可知:随着角度的增大，起始的磁力变大，但是，水平的位移力特性也变差了，在β =50°时位移力曲线是一条斜直线，不具有水平力特性。根据铁磁材料特性可以知道，衔铁的磁阻率比空气的磁阻率高。在切去角度β 后，由隔磁环左侧过来的磁力线大部分通过了磁阻率低的切去部分，而不是通过衔铁，产生了很大的磁漏效应。当切去角度β 变大时，产生的磁漏也会越来越大，从而影响了磁感应强度B。

图1 衔铁改变后的侧面形状

图2 端面形状对位移力特性的影响

2.2 铁芯长度对磁力的影响

铁芯的长度直接影响到轴向工作气隙的大小，由于电磁铁磁场的大部分能量储存在工作气隙中，改变铁芯的长度一定会影响到工作气隙中的磁力线分布，影响磁感应强度B 的大小和方向。同时，铁芯长度改变后，会降低比例电磁铁中特殊磁路的磁阻，作者主要对铁芯长度做了改变，在铁芯右端切去长度为L的环形部分 (L 分别取0，0.2，0.5，1，1.5，2.0 mm)，在不同的的长度下获得了位移力特性，铁芯示意图如图3 所示，仿真结果如图4 所示。可知:在切去长度取1 mm 时，可以获得较好的位移力特性。

图3 铁芯示意图(图中涂黑处为切去长度L 的环形部分)

图4 不同铁芯长度时的位移力特性图

2.3 线圈位置对磁力的影响

线圈作为电流源，当电流一定时，将产生磁场。线圈位置的不同将影响导套内磁力线的分布，磁感应强度受磁力线疏密程度的影响，从而影响作用在衔铁上的作用力。作者通过将线圈水平向右移动距离L1(示意图如图5 所示)，改变线圈位置进行分析。文中L1分别取0，0.25，0.5，1 mm 做了仿真和分析，仿真结果如图6 所示。可知:取L1=0 时的位移力特性较好。可知:当线圈靠近吸合面位置时，可以获得较好的电磁力。

图5 线圈位置示意图

图6 不同线圈位置时的位移力特性图

3 结论

通过ANSYS 软件建立了比例电磁铁的模型，并对比例电磁铁的部分结构参数进行了仿真和分析。分析结果表明:在衔铁切除角度β 为0°时，获得的力特性较好。电磁原理分析表明:电磁铁衔铁的端面与导套的径向气隙越小，产生的漏磁效应越小，所获得的磁力较好，线圈位置靠近吸合面时获得的位移力特性较好;铁芯切去长度为1 mm 时，可以获得较好的水平位移力特性。通过文中分析可以知道，影响电磁铁磁力的因素主要是工作气隙周围的元件(隔磁环，铁芯，衔铁，导套)，要改善比例电磁铁的性能，可以通过改变这些元件的结构参数，从而获得优化的位移力特性。

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