基于ANSYS 的电磁铁仿真分析及其实验验证

刘灿辉，黄丽容

(1．广东威灵电机制造有限公司，广东 佛山528311;2．华南理工大学 电力工程技术研究开发中心，广东 广州510640)

0 引 言

电磁铁是一个带有铁心的通电螺线管，其本身磁性的有无，可以通过通断电流来控制;各类小型精密电磁铁及电磁铁应用组件，作为自动控制系统的执行器件，已被广泛应用于工业自动化控制设备、医疗器械、包装机械等个不同领域。

国内外在电磁铁的建模仿真方面做了大量的研究，运用有限元方法建立电磁铁模型，对电磁铁内部磁场分布情况以及结构进行了深入分析，建立的模型可用于电磁铁的优化设计分析。国外已经可以利用仿真软件和计算程序来精确计算电磁铁的输出特性，国内在这方面与国外相比还存在一定差别，但也作了相当多的研究。

本文所研究的电磁铁主要用于小型高精密医疗器械的电磁扣合上，由于安装尺寸的限制，需在保证电磁铁外形尺寸不发生改变的情况下，对其内部铁心结构进行优化，以增大其电磁吸力，确保器械使用时的安全性。

1 电磁铁结构及相关参数

1.1 电磁铁结构

所研究的电磁铁的主要结构如图1 所示。该电磁铁主要由铁心、线圈、金属外壳以及固定板所组成。铁心材料采用高纯度的电工纯铁DT4，铁心外部采用塑料包胶处理，线圈与铁心通过塑料包胶相隔开，金属外壳采用镀锡铁薄板。

图1 电磁铁结构图

1.2 电磁铁主要参数

电磁铁的主要参数为:线圈励磁电压12 V，匝数约为4 750，外围空气的磁导率为1．256 ×10-6H/m，金属外壳相对于空气的磁导率为1 000，铁心材料DT4 的B-H 性能参数及B-H 曲线如图2所示。

图2 DT4 的性能B-H 参数及B-H 曲线

2 电磁铁有限元仿真分析

2.1 原电磁铁结构的仿真分析

根据原电磁铁的实际结构建立二维有限元模型如图3，建模所采用单元为plane55 单元，为了更加真实地反映实际环境，在模型的四周均建立外围空气场以及无限场边界，无限边界采用infin9 单元，总的单元数为12 589 个，总的节点数为37 159个。

图3 原电磁铁结构的有限元模型

对以上原电磁铁结构的有限元模型进行加载及边界条件设定后，计算分析得出如图4 所示的原电磁铁结构的磁力线分布图。

把铁心单元单独取出来进行研究，从图5 铁心的磁感应强度矢量图可以看出，在铁心内部磁感应强度方向表现为从铁心下端流向上端，靠近线圈位置的磁感较密集。通过测量局部放大的铁心上表面单元可以得出铁心上表面的平均磁感应强度约为861．6 Gs。

图4 原电磁铁结构的磁力线分布图

图5 原电磁铁的铁心磁感应强度矢量图

2.2 修改电磁铁结构后的仿真分析

把电磁铁的铁心上端修改成图6 的结构，结构修改后所得到的二维有限元模型如图7 所示。

图6 铁心上端修改结构尺寸图

图7 修改结构后的电磁铁有限元模型

在同样的材料及约束条件下，计算得出修改结构后的铁心上表面的磁力线分布如图8 所示。

图8 修改结构后铁心上表面的磁力线分布

从图9 的修改结构后铁心磁感应强度矢量图可以得出铁心上表面的平均磁感应强度约为902．6。

图9 修改结构后铁心磁感应强度矢量图

3 实验验证

该实验主要是测定在给线圈输入12 V 电压时电磁铁铁心上表面的磁感应强度值。实验所用到的测试仪(日本强力牌高斯计)和电磁铁实物如图10 所示。

图10 测量用高斯计和电磁铁实物

测量时让电磁铁一直通电约10 min，让线圈的温度升高到均衡，分别多次测量原结构和修改结构后电磁铁铁心表面的磁感应强度，并记录下相关测试数据，表1 所示。

把实测均值与有限元仿真值进行对比，得出表2 所示的对比数据，从对比数据可以看出，两个样品的实测值与仿真值的误差均在5% 以内，这在工程上是可以接受的。

表1 电磁铁实物测量数据

表2 电磁铁实物测量数据与仿真数据对比

4 结论

本文利用ANSYS 有限元软件对电磁铁进行结构优化，使结构修改后的电磁铁铁心的性能比原结构提高约5．7%，依据优化结果制作出对应的电磁铁样品，并通过实验测试对仿真结果进行了对比验证，证实了仿真的可行有效性。

ANSYS 有限元电磁仿真是基于设计模型的仿真，其计算结果非常接近实测值，能最大限度地缩短开发周期、减少开发成本，对工程技术人员具有很高的实用及参考价值。

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