基于ANSYS的电子提花机电磁阀性能研究

杨霞

（泸州职业技术学院机械工程系，四川泸州 646005）

基于ANSYS的电子提花机电磁阀性能研究

杨霞

（泸州职业技术学院机械工程系，四川泸州 646005）

通过建立基于ANSYS电磁阀组件的电磁分析模型，得到其磁力线、磁通密度、电磁强度、电磁力，分析稳态状态下电磁力与电压的二次关系，并通过MATLAB建立F/U的拟合关系式，从而对驱动电压进行优化设计，并可对电磁阀组件的结构参数如电磁铁形状、线圈匝数、吸合面积、磁性材料、复位弹簧参数等进行优化设计。

电磁阀；ANSYS；电磁力；数据拟合

1 电磁阀在电子提花机中的功能

电子提花机是用以生产高档提花织物的集精密机械制造技术、机电一体化技术、计算机控制技术为一体的现代织造设备[1]。自动提花织造系统由电子提花机、提花织机和提花织物组成。电子提花机控制系统通过控制接口传送提花数据，经信号驱动放大，驱动电磁阀线圈，电磁阀吸合则经纱提升，电磁阀不吸合，则经纱不提升。系统内电磁阀将表征织物花样的电信号转换成对应经纱的提升运动。

2 电磁阀组件结构及工作原理

工作时电子提花机中的电磁阀将表征织物花样的电信号转换成对应经纱的提升运动，是自动提花织造系统中极其关键的执行元件。同时一台电子提花机一般都有数千个电磁阀且要求任一电磁阀在织造系统24小时连续工作状态下都能可靠的动作，系统对电磁阀的电磁性能要求极高。

图1 自动提花系统组成

电磁阀组件主要由电磁阀铁芯、漆包线线圈、选针挂钩、复位弹簧等部分组成。通过为线圈提供电压产生电流，环绕线圈的铁芯、空气气隙、选针挂钩形成磁路[2]。大部分磁力线通过铁芯与选针挂钩间的工作气隙，产生电磁力。在电磁力的作用下，选针挂钩转动与铁芯吸合，可靠吸合需克服复位弹簧的阻力。选针挂钩的释放过程是通过复位弹簧的弹力来完成。

电磁阀磁路由铁心、轭铁和簧片组成，而对电磁阀的分析可根据簧片处于释放和吸合位置分别进行。

图2 电磁阀组建结构图

3 电磁阀的供电方案

由于提花针为1344针，而每个选针机构的驱动电流为75 mA，这样电流最大时高达100.8 A，大电流对电源和线路都是一个很大的负担，而且在选针机构上产生大量的热，使选针机构上产生大量的热而无法正常工作。电磁阀组件选针机构驱动器工作原理：初始状态时，选针挂钩和铁芯间的空气气隙较大，为使其吸合，需要较大的电磁力，而一旦吸合，其保持力就相对较小[3]。

采用开关电源与PWM高低压可调的双电源工作驱动电路。当同步信号到达时，用高电压U1驱动电磁阀线圈，而电磁铁与选针挂钩一旦吸合，就采用占空比可调的PWM电路来驱动电磁阀的线圈，以使其保持吸合状态。保持铁芯与选针挂钩吸合状态的驱动电压U2较小，可解决系统的发热问题，并降低功率提高系统的稳定性。

4 ANSYS对电磁阀组件电磁分析

本文研究电磁线圈在恒定电压稳定状态下的电磁磁通密度、磁力线、电磁力。电磁阀组件的初态下工作电压采用15 V，线圈阻值为500Ω，线圈匝数3 670。

稳态下线圈产生的磁场适用于2-D静态磁场的h-Method方法分析[4]。根据电磁阀组件的对称性及同组件中选针挂钩工作状态的不同，采用一组选针挂钩进行分析。电磁阀产生的磁场适用2-D静态磁场或3-D静态磁场中的矢量位方法分析，3-D模型是模拟结构最贴切的模型，3-D模型通常比2-D模型复杂得多，也常要求更多的计算时间，因而应该首先考虑尽量用2-D模型进行分析。由于电磁阀组建是对称的模型，为了简化计算，只需要取一半结构进行有限元分析。

在ANSYS图形编辑环境下，建立电磁铁芯、线圈、选针挂钩、空气等模型如图3所示，选择系统默认的单位制MKS（米—安培—秒），在自动计算电磁线圈面积时需注意单位转换。

图3 网格划分图

模型中材料区域有空气、线圈、导磁材料，定义相应材料的属性，模型在导入需采用交迭操作保证各个面在交界处相黏结，以保证在划分网格时它们是共节点的，而使解收敛。磁力线沿模型外侧表面闭合，这一类边界属于第一类齐次边界。在系统内为模型加载平行边界条件。

在线圈面上加载电流密度载荷。电磁阀可等效为一电阻电感负载，线圈电流的表达式为：

i：线圈电流瞬时值；U：驱动电压；R：线圈等效电阻，线圈阻值为500Ω；L：线圈等效电感。D线圈电感值为230 mH。在考虑稳态下，t≫τ，，i=U/R。电流密度J=ni/A，载荷形式为体载荷，采用施加电流密度到线圈上的载荷形式。电流密度J=ni/A，n为线圈匝数3 670，i为线圈电流，A为线圈横截面积。

在后处理器环境下结算后，得到磁场强度分布如图4所示。

图4 磁场强度分布图

为计算相应电压下产生的电磁力，建立选针挂钩组件。在挂钩组件中截取部分网络节点，计算其水平方向上的受力，此力产生的力矩使挂钩吸合。

5 相同气隙下驱动电压与电磁力关系模型的建立

通过给电磁线圈施加不同的电压，基于AN⁃SYS计算得到组件上产生的水平方向的电磁力如表1所示。

表1 不同电压下的电磁力表

忽略电磁铁的漏磁和涡流效益，电磁作用力可由麦克斯韦电磁吸力方程表示为：

其中ΣRm为磁路的总磁阻。

μ0为真空（近似为空气）的磁导率；μ为磁路中铁磁体的磁导率，μ≫μ0，l为电磁体的磁路平均长度；δ为工作气隙；A为有效吸合面积；ϕ为磁通量；B为磁感强度；N为线圈匝数；I为线圈工作电流。

c0为结构常数，电磁铁的电磁作用力应该与线圈电流I呈二次方曲线的关系。

图5 电磁力F与加载电压U的拟合曲线

考虑稳态状态，并忽略电阻的阻值变化，电磁力与电压的关系应为二次曲线关系，利用MAT⁃LAB对表中数据进行二次项拟合，程序如下：

x=[0 1 4 6 9 13];

y=[0 0.05 0.19 0.47 0.84 1.78];

p=polyfit(x，y，2);

plot(x，y，'o');

xx=linspace(min(x)，max(x));

yy=polyval(p，xx);

plot(x，y，'o'，xx，yy);

计算结果为：

p=[0.009585 0.010282 0.014405]

电磁力与加载电压的关系式F=aU2+bU+c，进行二次项拟合结果为：

F=9.585U2+10.282U+14.405(单位：10-3N)

F/U曲线关系如图5。

6 结语

本文建立的提花机电磁铁的三维模型，通过ANSYS构建了电磁阀部件的电磁分析模型，应用CAE功能计算出了电磁吸力。分析了电磁铁电磁力与电压二次曲线关系，并采用MATLAB得出了电磁铁线圈的驱动电压与产生电磁力之间的二次拟合函数。通过建立的模型解决了电磁阀工作中的发热问题，并能减少电子提花机的功率，提高了系统的稳定性。为系统的进一步电磁铁结构、气隙空间、线圈参数、驱动电压等的优化设计研究建立了基础。

［1］李志祥.提花机［M］.北京：纺织工业出版社，1992.

［2］郭张军，吴震宇，刘凤臣.基于ARM7的喷气织机电磁阀控制电路［J］.机电工程，2012（7）：773-776.

［3］张树林.电子提花龙头的设计和实现［J］.纺织学报，2001（10）：25-26.

［4］唐兴伦.ANSYS工程应用教程——热与电磁学篇［M］.北京：中国铁道出版社，2003.

(编辑：阮 毅)

图6 小车整体三维图

3 结论

本文所设计的避障小车运用定滑轮和细绳完成重物势能的转换，利用齿轮机构将能量传递给后轮和转向系统，通过不完全齿轮齿条机构来进行方向控制。小车设计新颖、结构简单、重量轻。该小车在木质地板上能成功绕过8个障碍物。

参考文献：

［1］邹光明，杨秀光.以势能驱动的涡卷弹簧储能小车研究［J］.机械设计，2012，29（4）：32-35.

［2］王斌，王衍.“无碳小车”的创新设计［J］.山西大同大学学报：自然科学版，2011，28（1）：59-62.

［3］杨秀光，邹光明.避障小车转向系统的设计［J］.机械传动，2012，36（4）：41-43.

［4］廖汉元，孔建益.机械原理［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［5］王猛，李长春.不完全齿轮自动转向机构的运动分析［J］.机械传动，2012，36（6）：71-73.

［6］陈江义，焦利明.基于多学科协同算法的V型带传动优化［J］.机械设计与制造，2013（2）：160-162.

第一作者简介：邹光明，男，1970年生，湖北仙桃人，博士，副教授。研究领域：概念设计、智能设计、机器视觉等。已发表论文20篇。

(编辑：阮 毅)

Study on Performance of Electronic Jacquard Solenoid Valve Based on ANSYS

YANG Xia
（Luzhou Vocational&Technical College，Mechanical Engineering Department，Luzhou646005，China）

This paper is purposed through establishing the electromagnetic analysis model based on ANSYS solenoid valve module to obtain the magnetic line of force，flux density，electromagnetic strength and electromagnetic force analyze the binary relation between electromagnetic force and voltage under the stable state，and get the relational expression of F/U through MATLAB，so as to optimum design the driving voltage and to optimum design the structure parameters of solenoid valve，such as shape of electromagnet，turns，suction area，magnetic material，reset spring，etc.

solenoid valve；ANSYS；electromagnetic force；data fitting

TS103

A

1009－9492(2014)03－0023－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.007

杨 霞，女，1981年生，湖南津市人，硕士，讲师。研究领域：机电一体化技术。已发表论文5篇。

2013－09－04