基于Ansoft及AMESim的电磁铁动态特性仿真分析

2008年 9月 第 36卷 第 9期 机床与液压 MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS Sep12008 Vol136 No19 收稿日期 : 2007 - 12 - 10 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50675203) 作者简介 : 王扬彬 , 男 , 浙江大学机械电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 专业硕士研究。电话 : 0571 - 87952500 - 247, E - mail: wybhangzhou @ yahoo1com1cn, zdybwang@1631com。 基于 Ansoft及 AMESim的电磁铁动态特性仿真 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 王扬彬 , 徐兵 , 刘英杰 (浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 , 浙江杭州 310027) 摘要 : 介绍了电磁铁及电磁阀的结构及工作原理 , 建立了基于 Ansoft的电磁铁仿真模型和基于 AMESim的电磁阀整体 仿真模型。通过将电磁铁 Ansoft模型分析结果导入 AMESim仿真模型中 , 实现电磁回路、机械部件和液压系统之间耦合 , 获得比较准确的电磁铁动态特性仿真结果 , 避免了采用磁路原理计算时存在的问题 , 提高了电磁铁仿真的精度。 关键词 : Ansoft; AMESim; 电磁铁 ; 耦合 中图分类号 : TH13717　　文献标识码 : A　　文章编号 : 1001 - 3881 (2008) 9 - 104 - 2 S im ula tion Ana lysis of the D ynam ic Character istics of the Soleno id Ba sed on An soft and AM ES im WANG Yangbin, XU B ing, L IU Yingjie ( The State Key Laboratory of Fluid Power Control and Transm ission, Hangzhou Zhejiang 310027, China) Abstract: The mechanical configuration and work p rincip le of the solenoid valve were described. The simulation model of the so2 lenoid based on Ansoft and the entire simulation model of the solenoid valve based on AMESim were built. The simulation result of the Ansoft solenoid model was made use of in building the AMESim solenoid valve model. The coup le simulation of electromagnetic cir2 cuit, mechanical components and hydraulic system was realized, the more p recise dynam ical characteristic simulation results of the solenoid were obtained. Keywords: Ansoft; AMEsim; The solenoid; Coup le 0　概述 随着电子技术、计算机技术、控制技术的迅速发 展 , 电液控制技已经能够完成各种复杂的控制。具有 高可靠性的电磁阀由于其在价格上的优势 , 广泛应用 在智能控制、无线控制等领域。电磁铁作为电磁阀的 电液转换执行器 , 其动静态性能直接影响电磁阀的性 能 , 如何合理简便地设计出满足性能要求的电磁铁 , 是设计人员需要解决的首要问题。早期的电磁铁设计 主要是通过大量的试验测试来完成 , 耗费较大的资 源 , 研发周期也较长。 随着仿真技术的日渐成熟 , 各类专业仿真软件已 经成为公司研发产品、缩短产品研发周期必不可少的 分析设计软件。但各仿真软件都有一定的应用范围 , 同时各专业仿真软件的侧重点也不同。电磁仿真软件 Ansoft和系统仿真软件 AMESim, 二者在电磁铁设计 上的功能结构不同 , 但却具有很强的互补性。 AMESim 能够根据电磁铁的结构参数便捷地构建整个 电磁铁乃至整个电磁阀的仿真模型 , 但其电磁铁模型 基于磁路理论构建 , 准确性降低 ; 而 Ansoft是基于物 理原型的有限元建模分析 , 在电磁方面能够提供比较 准确的电磁仿真结果 , 但系统分析能力不强 , 不能进 行强耦合分析。 笔者综合两仿真软件的分析优势 , 将 Ansoft的电 磁铁分析仿真结果编成 AMESim系统仿真时可调用的 数据表格 , 对整个电磁阀进行建模分析 , 来获得电磁 铁的动态响应结果。由于综合了两仿真软件的优点 , 使得仿真数据更为准确 , 因而对设计人员改进电磁铁 的性能 , 能够起到一定的指导作用。 1　电磁阀系统模型的建立 笔者研究的电磁阀是液压支架上比较常用的电液 控制基本元件 , 该阀为开关电磁铁驱动的二位三通电 磁阀 , 其结构如图 1所示。当输入控制电压信号后 , 电磁铁得电 , 电磁铁输出电磁力经缓冲器后推动阀芯 运动 , 使阀口打开同时关闭回油口 T, 液压油进入负 载口 A; 当切断电压信号后 , 电磁铁失电 , 在复位弹 簧的作用下 , 使阀口关闭的同时打开回流口 T。其主 要结构如图 1所示。 图 1　电磁阀结构图 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 111　电磁铁模型 11111　电磁线圏回电路方程 U = IR + dΦ / d t (1) 式中 : U、 I、R、Φ分别为电源电压 (V)、线圈中电 流 (A)、回路电阻 (Ω)、磁路磁链 (W b)。 式 (1) 中Φ是电流 I和行程 x的函数 , 可表示为 Φ =φ(N , I, x) (2) 式中 : N 为线圈匝数。 11112　电磁铁运动部分的位移方程 F =m ( d2 x / d t2 ) + Ff ( x) + Ff dx / d t (3) 式中 : m 为电磁铁衔铁所带动的运动部分质量 ( kg) ; x为电磁铁衔铁的行程 (m ) ; F为电磁铁输 出力 (N) ; Ff ( x ) , Ff dx / d t 分别为与运动部分的 位移和速度有关的反作用力 (N)。 11113　电磁铁吸力方程 电磁输出力是电流 I和行程 x的函数 , 其方程为 F = f ( I, x) (4) 综上分析 , 由式 (2)、 ( 4) 可知电磁铁吸力是 气隙、电流及电感的函数 : F = g ( I, x, N ) (5) 通过上面的理论分析可知 , 电磁铁吸力是与气 隙、安匝数相关的函数。 11114　电磁铁模型 在 Ansoft建立电磁铁求解模型 , 如图 2所示 , 在 求解器中定义气隙及安匝数进行变参分析 , 并选择电 磁力及电感作为求解对象。 图 2　电磁铁 Ansoft仿真模型 112　电磁阀仿真模型 通过 Ansoft的静态计算后 , 可得到相对于衔铁气 隙和安匝数变化的结果 , 再把得到关于电流及气隙的 电磁力及电感的有关数据 , 按照 AMESim 2D数据表 格式创建数据文件 , 完成电磁铁在 AMESim仿真的数 据准备。数据文件三维曲线如图 3、4所示。 图 3　电磁力与安匝数、气隙关系 图 4　电感与安匝数、气隙关系 通过 Ansoft变参分析得到了电磁输出力、电感与 安匝数、气隙关系的数据表 , 通过 AMESim电磁模块 EMLT40子模型把所得到的相关数据读入电磁阀仿真 模型 , 创建完整的电磁阀仿真模型 , 实现电磁回路、 机械部件和液压系统之间的耦合 , 模型如图 5所示。 图 5　电磁阀仿真模型 2　仿真分析结果 电磁阀的仿真参数如表 1所示。 表 1　仿真参数表 电压 /V 12 线圈匝数 / tr 2 320 线圈电阻 /Ω 60 压力源 /MPa 3115 复位弹簧刚度 / (N·mm - 1 ) 0185 复位弹簧预紧力 /N 4125 图 6　电流与时间关系曲线 　　在 0101 s时给电磁 铁输入一阶跃电压信号 , 研究电磁铁及整个电磁 阀动态变化特性。图 6 是电磁铁电流与时间关 系变化曲线 , 图 7是电 磁力与时间关系变化曲 线 , 图 8是电磁铁阀芯运动变化曲线。 (下转第 108页 ) ·501·第 9期 王扬彬 等 : 基于 Ansoft及 AMESim的电磁铁动态特性仿真分析 　　　 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 数据分块与曲面构造功能。其过程包括首先利用 Detect Curvature功能根据计算的曲率结果找出多边形 数据中的特征线 (Contour L ine)。在特征曲线的基础 上 , 利用 Construct Patches功能在多边形数据上自动 生成四边形网格 (图 4)。由于自动生成的四边形网 格往往呈现不规则的网状 , 还可以利用网格编辑功能 将其排成比较规则的网格面。然后利用 Construct Grid 功能为每一个网格内建立 UV参数线 , 最后使用 Fit Surface功能为每一个四边形网格自动生成 G1连续的 曲面片 (图 5)。 　　造型完成后 , 软件还可以对曲面进行整体的光 顺、合并以及误差分析等操作 , 同时还可输出 STL、 IGES和 STEP等十几种输出格式 , 可方便地与其它 CAD /CAM /CAE软件进行数据交换。 图 6是用 Geomagic构造的米老鼠玩具模型 , 其 中图 ( a) 是经编辑后的特征线和四边形网格 , 图 ( b) 为拟合得到的曲面模型。 图 6　基于 Geomagic的玩具模型重构 相对于传统曲面重构 , Geomagic基于对多边形网 格数据的处理 , 在数据分割与曲面重建方面已具备了 一定的自动化功能 , 简化了处理 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 , 但在曲面连续 性方面目前只能实现 G1连续。 3　结论 逆向工程中的 CAD建模技术已广泛应用于产品设 计、零件修复、动画以及数字媒体等诸多领域 , 在数 据获取与处理、曲面拟合、商用专业软件等方面的研 究开发上也已取得了很大进展。但在实际应用当中 , 整个过程仍需借助操作人员的经验 , 模型重构的质量 仍直接受到操作者经验、水平的影响 , 例如对于 Geomagic中构建特征曲线以及划分四边形网格等关键 性步骤。但相对于传统 CAD重构方式 , 以 Geomagic软 件为代表的快速构面方式已提供有部分自动处理功 能 , 体现了降低对操作人员依赖性的发展趋势。通过 理论研究的深入与转化 , 进一步提高软件的智能化程 度与重构效率 , 是未来发展的方向。 参考文献 【1】柯映林 , 等. 反求工程 CAD建模理论、方法和系统 [M ]. 北京 : 机械工业出版社 , 2005. 【2】T Varady, R R M artin, J Coxt. Reverse engineering of geometric models—an introduction [ J ]. Computer2A ided Design, 1997, 29 (4) : 255 - 268. 【3】余国鑫 , 成思源 , 张湘伟 , 等. 典型逆向工程 CAD建 模系统的比较 [ J ]. 机械设计 , 2006, 23 (12) : 1 - 3. 【4】T Varady, M A Facello. New trends in digital shape rec2 onstruction [ G]. In: Martin RR, Bez H, SabinM , ed2 itoes. The mathematics of surfaces X I. Sp ringer, 2005: 395 - 412 . 【5】金涛 , 童水光 , 等. 逆向工程技术 [M ]. 北京 : 机械 工业出版社 , 2003. 【6】韩景芸 , 褚国民. 快速反求设计应用 [ J ]. CAD / CAM与制造业信息化 , 2003 (7) : 90 - 92. (上接第 105页 ) 　　从图 6—8可以看出 : (1) 在输入阶跃电压后 , 电磁铁电流是随着时 间变化呈非线性变化。当衔铁移动时 , 随着磁阻变 小 , 线圈电感增大 , 产生阻碍电流变化的感应电动 势 , 线圈电流变化率变小。当衔铁移动结束 (图 6中 点 A ) , 即电磁阀打开到位 , 线圈电感不再发生变化 , 此时电流按新的时间常数继续增大。 (2) 电磁铁输入电压信号后 , 经过 0103 s才克服 负载反力 , 推动阀芯开始运动 , 经过 01086 s后阀芯 完全打开。 (3) 电磁铁输出力随着时间的增加而增大 , 直 到 0117 s才达到电磁铁最大输出力 61196N。 3　总结 笔者通过有限元软件 Ansoft及系统仿真软件 AMESim, 建立了完整的电磁阀模型 , 实现了电磁回 路、机械部件和液压系统之间的耦合。由于电磁铁仿 真是基于物理原型的仿真 , 其结果精确逼近真实的测 试结果 , 避免了采用磁路原理计算时存在的问题 , 大 大提高了电磁阀仿真的精度。 参考文献 【1】刘国强 , 等. Ansoft工程电磁场有限元分析 [M ]. 电 子工业出版社 , 2005. 8. 【2】AMESim4. 2. 1 U serManual Imagine SA. 2005. 【3】路甬祥 , 胡大纮. 电液比例控制技术 [M ]. 机械工 业出版社 , 1988. 【4】王桂华 , 等. 柴油机电喷系统中高速电磁铁特性的实 验研究 [ J ]. 内燃机工程 , 2003. 4. ·801· 机床与液压 第 36卷 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net