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電磁鐵是一種利用電磁力作機(jī)械功從而將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電磁式電器，不僅廣泛運(yùn)用在遠(yuǎn)距離操縱機(jī)械裝置上，也是很多電磁電器的基本組成部件。電磁鐵的參數(shù)隨不同應(yīng)用場合而改變，為保證其可靠動作，改善功率密度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)非常重要。

由于渦流、磁滯以及磁飽和等非線性因素，電磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定的復(fù)雜性。計(jì)算機(jī)輔助求解技術(shù)（Computer Aided Engineering, CAE）能夠縮短設(shè)計(jì)周期，減小設(shè)計(jì)成本，在電磁鐵的參數(shù)優(yōu)化方面最常用的方法是有限元法和基于Matlab語言的Simulink建模方法。

文獻(xiàn)[8,9]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)了電磁鐵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在Ansys Maxwell有限元軟件中建立了二維仿真模型，研究不同參數(shù)對電磁鐵吸力特性的影響，從而對電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[10,11]針對傳統(tǒng)比例電磁鐵僅具備單向驅(qū)動能力的不足，研究了具有雙向驅(qū)動能力的比例電磁鐵，并利用Maxwell仿真分析參數(shù)變化對電磁鐵性能的影響。

上述研究都只從理論上對電磁鐵的設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行了分析，缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[12]利用Ansys有限元分析軟件和AMESim系統(tǒng)參數(shù)仿真軟件對螺管電磁鐵仿真分析得到電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁力線分布和吸力特性曲線，將仿真結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行了對比分析，但仿真部分只有靜態(tài)特性的研究，缺少對動態(tài)特性的分析，不能反映動作過程中機(jī)械參量和電磁參量的真實(shí)變化情況。

文獻(xiàn)[13]利用Maxwell軟件對電磁鐵進(jìn)行了動態(tài)仿真分析，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但對于不能直接通過仿真得到動態(tài)特性參數(shù)的情況沒有給出解決方案。文獻(xiàn)[14]在Simulink中搭建了瞬態(tài)仿真模型，并比較了不同電磁鐵結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)特性，但是沒有考慮磁飽和，不適用于磁性材料出現(xiàn)飽和的情況。

為解決以上問題，本文以一種雙行程螺管式電磁鐵為研究對象，提出了Ansys Maxwell和ADAMS聯(lián)合仿真的建模方法。本文利用磁路法計(jì)算了電磁鐵的靜態(tài)電磁吸力解析式；在Ansys Maxwell軟件中搭建電磁鐵模型，仿真動鐵心的靜態(tài)特性；耦合機(jī)械運(yùn)動和電壓平衡方程，求解不同階段動態(tài)吸力；在ADAMS軟件中仿真不同行程動鐵心的位移特性，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

本文采用的Ansys Maxwell與ADAMS聯(lián)合仿真的方法，能夠獲取吸力特性、位移特性等電磁機(jī)構(gòu)重要參數(shù)，為電磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的思路。

圖1 雙行程電磁鐵結(jié)構(gòu)簡圖

圖11 實(shí)驗(yàn)平臺

結(jié)論

本文以雙行程螺管式電磁鐵為研究對象，分析其在不同行程運(yùn)動過程中的動態(tài)特性，得到了以下結(jié)論：

• 1）分析了雙行程電磁鐵的工作原理，通過磁路法得到了雙行程電磁鐵電磁吸力的計(jì)算公式，得到了靜態(tài)吸力特性，為電磁鐵參數(shù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

• 2）利用Ansys Maxwell軟件分別對雙行程電磁鐵第一、二行程的靜態(tài)吸力特性進(jìn)行仿真，通過求解電壓平衡方程和達(dá)朗貝爾運(yùn)動方程得到動態(tài)吸力特性，并在ADAMS軟件中實(shí)現(xiàn)了機(jī)械運(yùn)動模型仿真，得到了位移時(shí)間曲線，描述了電磁鐵的動態(tài)過程，為電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了有效的手段。

• 3）基于仿真模型指導(dǎo)樣機(jī)設(shè)計(jì)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的運(yùn)動時(shí)間誤差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了動態(tài)仿真的正確性。