浅谈基于Ansys Maxwell分析的轨道磁力固定装置

潘奇，周昊民，李徽，丁岩，石勇

（1.湖南科美达电气股份有限公司，湖南 岳阳 414000；2.湖南理工学院 机械工程学院，湖南 岳阳 414006）

20世纪80年代，高性能稀土永磁材料的迅速发展，极大地促进永磁设备的发展。特别是20世纪90年代以后稀土永磁材料之王钕铁硼的价格逐渐降低，永磁设备得到了大力的推广及应用。永磁材料由于在工作过程中不需要施加电流就能通过自身的剩磁产生强大的磁力，因此永磁设备相比于电磁设备最为明显的优势就是自重轻并且节能。基于永磁材料这一特点，各种永磁设备被广泛地应用在人们的生产生活中，比如，永磁起重器、永磁夹具、永磁电机和机床快速换模装置等等。本文介绍了一种基于Maxwell分析的轨道磁力固定装置，用于解决轨道检测小车在行驶的过程中，因为重心过高，易发生侧翻的问题。轨道检测小车是一种在轨道上边行驶边检查线路安全状况的移动工具，目前，所使用的轨道检测小车在轨道上行驶时，存在着重心偏高、自重较轻、重心不稳等问题，容易诱发比较严重倾斜，甚至可能导致小车侧翻事故，存在较大的安全隐患，然而，采用笨重复杂的机械固定方式又会使得小车自重大幅度增加，使其在搬运、安装和拆卸过程中更加困难。本文讲述了一种轨道磁力固定装置，能够在略微增加小车重量的同时通过磁力将小车牢牢吸附在轨道上使其平稳行驶，也能通过简单的去磁操作将小车轻松搬离轨道。

1 轨道磁力固定装置的结构及工作原理

1.1 轨道磁力固定装置的结构

如图1所示，轨道磁力固定装置的主要结构包括顶板、磁钢组合件、非磁连接件、非磁挡板、磁轴、磁极、辊轮、转动把手、限位块。顶板、磁轴、磁极为导磁材料采用普通碳素结构钢Q235，三组磁钢为磁源采用钕铁硼N40，其余材料无需导磁一般采用不锈钢304。轨道磁力固定装置通过顶板的螺丝孔与轨道检测小车相连接，在装置的左右两端都铰接一个辊轮，通过两个辊轮与轨道相接触，辊轮能够在轨道上进行滚动，因此，在轨道小车运行时能够跟随着轨道小车一起运行，辊轮面高于磁极面，能够避免磁极与轨道相对运动时产生滑动摩擦而发热磨损。轨道磁力固定装置内部装有三组磁钢，固定磁钢以转动磁钢回转中心线所在垂直面左石对称布置，其中磁轴中的转动磁钢可以通过扳动把手进行0°～155°的旋转。限位块可以将把手限制在OFF和ON位置，避免受磁场产生的力矩转动到其他状态。

图1 轨道磁力固定装置的结构组成

1.2 轨道磁力固定装置的工作原理

轨道磁力固定装置有两种状态：放料状态和吸料状态，两种状态之间通过转动把手实现切换。放料状态时，把手处于OFF位置，图2所示磁钢组产生的磁场在装置内部形成闭合回路，装置对外不显磁；将把手旋转155°到达ON位置后，装置进入吸料状态图3，磁轴中的转动磁钢因极性方向发生翻转其磁场与另外两组固定磁钢的磁场进行叠加，通过磁极导出传递到轨道上，从而使装置吸附在轨道上。

图2 放料状态OFF

图3 吸料状态ON

2 轨道磁力固定装置磁场的数学模型

在设计磁性装置时，我们通常会先采用磁路计算法，对装置内部的磁通量和工作气隙的磁感应强度进行简单的计算和定量分析。通过对装置各部位磁通量的计算，我们可以判断出各部分磁感应强度是否饱和，装置表面是否有漏磁影响使用；通过对工作气隙磁感应强度的计算，我们可以得到被吸物磁力的大小，从而判断设计是否基本达到要求。

放料状态下，装置内部磁路为闭合回路，磁路中气隙极小，磁钢工作点几乎处在剩磁Br处，磁钢内部磁感应强度可认为是1.25T。三组磁钢磁场通过的截面积相同，故磁通量相同，磁钢无漏磁。普通碳素结构钢Q235饱和磁感应强度一般为1.8T，对于顶板、磁轴和磁极而言，其内部的磁通量与磁钢内部的磁通量近似相等，设计时，只需考虑三者内部的磁感应强度不超过1.8T，即可确保不产生漏磁现象。

吸料状态下，若不考虑空气漏磁，装置和轨道形成的磁路简图如图4所示。

图4 吸料状态磁路简图

利用磁路基尔霍夫第一、第二定律得方程式组：

式中，Φ1、Φ2、Φ3为磁通量；Em1、Em2为磁动势，Rm1为顶板磁阻；Rm2为磁轴与磁极之间气隙磁阻；Rm3为磁极磁阻；Rm4为磁极与轨道之间气隙磁阻；Rm5为轨道磁阻。

通过方程式组我们求解出Φ3，再利用

式中，μ0为真空磁导率；S磁极为磁场通过磁极底部的面积。可求得装置对轨道的磁力。

然而，这种理想环境下求解出的数据并不能完全作为工程设计依据，其计算结果有时相较实际工况偏差较大。主要原因如下：

①磁阻难以准确计算。由公式磁阻

式中，μ为材料的磁导率；l为磁场通过的距离；S为磁场通过的面积。

可知，磁阻的大小与磁场通过的长度l、磁场通过的面积S、磁导率μ有关。对于铁磁材料其内部磁场并非均匀，而且磁导率也随磁场的大小非线性变化；对于空气其磁导率μ0虽恒定不变，但磁极与轨道间的气隙并不规则。

②对于存在一定气隙的磁路，空气漏磁不能简单忽略。磁路虽与电路类似，但也存在明显不同。铁磁质的磁导率约为空气的几千倍，而导体的电导率高达空气的几千亿倍，因此，磁路中空气漏磁无处不在，使得磁路分析变得无比复杂，最终导致磁路计算法建立的数学模型难以求解或者求解结果不精确。

为了高效、准确地验证设计方案的可行性，工程师往往会在设计初期进行简单的磁路计算后，采用CAE软件进行数值仿真分析，以此获得关键的理论数据，为设计方案的成功实施提供有效保障。

3 轨道磁力固定装置磁场的仿真分析（图5～7）

图5 放料状态磁场云图

Ansys Maxwell是一款美国ANSYS公司研制的电磁有限元分析软件，可帮助我们在设计产品时通过计算机对其性能进行仿真分析，从而得到关键的理论数据。本文主要研究轨道磁力固定装置从关闭（OFF）到打开（ON）磁轴旋转155°的磁力变化和力矩变化。

（1）将Creo Parametric中的3D模型经过简化处理后，保存为STP格式后导入Ansys Maxwell内。简化处理主要是去除不导磁的零件和对仿真结果基本不影响的螺纹孔。

（2）磁轴从0°～155°旋转过程中磁力和力矩时刻变化，分析方式采用瞬态磁场分析。先对导入的模型各部分材料进行定义，再将模型中心磁轴及磁轴中间磁钢定义为运动部件并设置好转速（每秒1°）和旋转时间（0～155s）。

（3）设置轨道所受的磁力和磁轴转动的力矩为求解对象。

（4）建立求解域，开始求解。求解域相当于空气层，在闭合磁路中，空气中的磁场分布较少，求解域大小相当于模型的1.5～2倍即可。

（5）求解完成后，显示出磁力和力矩的变化曲线并标记出最大值。

仿真结果表明，把手带动磁轴由0°旋转到155°过程中，装置的磁力由0增到1190N，在155°达到最大；力矩由小变大，旋转到103°时，达到最大9N·m，再由大变小。结论如下：①装置在“OFF”状态时内部磁场无外漏，磁极对轨道无吸力能轻松放置及搬离。②装置对轨道的磁力不小于100kg，已到达使用要求；使用时，在小车4个轮子附近各安装1个磁力固定装置，400kg磁力足够将小车牢牢吸附在轨道上使其平稳行驶。③把手长度为0.1m，当装置由“OFF”状态变为“ON”状态时，使用者需释放出最大拉力不大于90N，相对笨重复杂的机械固定方式，此轨道磁力固定装置能够通过转动把手轻松实现装置的固定工作，改善了传统轨道小车固定装置安装烦琐的问题。

4 结语

图6 吸料状态磁场云图

图7 磁力与力矩变化

本文以轨道磁力固定装置为研究对象，讨论了其内部结构及工作原理，先采用磁路计算法对其进行简单的理论分析，再通过Ansys Maxwell软件进行详细的仿真分析，从而得到装置内部磁场的分布情况和磁力、力矩、角度三者之间的关系。通过这些关键数据，我们可以清晰地了解轨道磁力固定装置在使用过程中其内部磁场的动态变化情况，准确地掌握磁力和力矩随角度变化的趋势，为设计方案的合理性提供了足够的理论依据。

所设计的轨道磁力固定装置，能够在略微增加小车重量的同时，通过磁力将小车牢牢吸附在轨道，有效地解决了轨道小车在轨道上行驶时，因重心偏高、自重较轻、重心不稳等原因发生比较严重倾斜的问题，

目前，本文只对轨道磁力固定装置的一种设计方案进行了研究分析，并未进行优化设计。以后可以着重研究磁钢厚度、面积和磁力、力矩的关系，达到提高吸力、降低力矩、减轻重量的目的。