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摘要:介绍了电磁作动器的结构,用ANSYS建立了电磁作动器的二维静态磁场仿真模型。仿真研究了电磁作动器的磁场分布以及电磁铁铁芯直径d,铁芯长度l,电磁线圈匝数N,电磁线圈电流I,工作气隙δ等参数对衔铁所受电磁力的影响。
关键词:电磁作动器 ANSYS 仿真
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.010
驾驶员主动电磁座椅悬架主要把电磁铁作为悬架的作动器,通过控制电磁线圈电流的变化改变电磁铁的作用力,实现振动的主动控制。相比较液压减振系统而言,它具有不受粘着力限制、磨损少、噪音小、无污染等优良特性。本文介绍了一种主动座椅悬架电磁作动器的结构,并运用ANSYS软件的电磁场分析模块对电磁作动器进行了仿真研究。文章仿真了电磁作动器的磁场分布并研究了电磁铁铁芯直径d,铁芯长度l,电磁线圈匝数N,电磁线圈电流I以及工作气隙等参数对衔铁所受电磁力的影响,以期为电磁作动器及主动电磁座椅悬架控制系统的方案设计提供设计依据。
1 电磁作动器模型的构建
电磁作动器由缸体,缸体两端的电磁铁(外绕线圈),以及衔铁组成。缸体采用不导磁不锈钢材料,具有一定的安装强度且不影响电磁铁的磁场分布。电磁铁铁芯为高磁导率的工程纯铁加工而成的圆柱体,结构简单。铁芯外绕线圈,线圈采用耐热等级E级(120度)的聚酯漆包圆铜线。衔铁与铁芯1为一个整体,可上下运动,载重加在铁芯1上端,从而将衔铁所受电磁力通过铁芯1传递给载重。为简化起见,忽略了人体与座椅悬架上板之间座垫的影响,即将人体质量的75%与座椅悬架上板质量视为一体,作为非簧载质量即载重。
由电磁学原理可知,当衔铁处于两电磁铁的中间位置,电磁线圈通以相同电流,则衔铁所受两电磁铁的电磁引力大小相等,方向相反,合力为零。当座椅受到激振作用或载重质量发生变化(即不同体重的驾驶员)时,衔铁向上(或向下)运动,控制电磁线圈中电流的大小使衔铁所受合力发生改变,从而可以实现对座椅悬架的主动控制,以达到隔振的效果。
用ANSYS软件电磁场分析模块建立了电磁作动器的二维仿真模型。方法如下:进入ANSYS前处理器,选择Magnetic-Nodal模块,定义单元类型为PLANE53,定义各材料磁导率。电磁作动器各部件用相应的矩形面表示,为各矩形面赋予相应的材料属性,即可得到电磁作动器的模型。需要注意的是,必须在电磁作动器的周围建立空气面,否则仿真结果会失真。模型外围节点加平行边界,电磁线圈加电流载荷,定义衔铁为ARM组件,并施加力标志。求解后即可进入后处理器查看计算结果,包括电磁作动器的磁力线分布,磁通密度云图及其矢量图,和衔铁所受电磁力。
2 仿真结果分析
电磁铁产生的电磁力大小是电磁主动座椅悬架控制的最终目标,因此本文详细分析了改变电磁铁铁芯直径d,铁芯长度l,线圈匝数N,工作气隙δ和线圈电流I等参数时,电磁力的变化規律。
选取铁芯长度l=100mm,电磁线圈匝数N=3500,电流I=3A,气隙=3mm,并保持上述参数不变,使铁芯直径d在30mm至60mm之间变化,电磁力与铁芯直径的变化规律为衔铁所受电磁力随铁芯增大而增大,这主要是因为电磁力与磁路有效截面积有关,铁芯直径越大,磁路有效截面积也越大,电磁力也越大。但铁芯直径增加会导致铁芯体积增加,重量也增加,因此选择铁芯直径要兼顾两方面因素,使得电磁作动器的性能达到最优。
选取铁芯直径d=100mm,铁芯长度l=100mm,电磁线圈匝数N=3500,电流I=3A,气隙=3mm,并保持上述参数不变,使铁芯长度l在100mm至300mm之间变化,电磁力与铁芯长度的变化规律为衔铁所受电磁力随铁芯长度增大而减小,这主要是因为铁芯长度在100mm至300mm范围内,磁路未饱和,铁芯漏磁随铁芯长度增加而增大,因而电磁力随铁芯长度增加呈减小趋势。
选取铁芯直径d=100mm,铁芯长度l=100mm,气隙=3mm,并保持上述参数不变,电流分别取为1A,2A,3A的情况下,使电磁线圈匝数在2000匝至4500匝之间变化,电磁力与线圈匝数的变化规律为衔铁所受电磁力随电磁线圈匝数基本成平方递增,且电流越大,曲线越陡。
选取铁芯直径d=100mm,铁芯长度l=100mm,电磁线圈匝数N=3500,并保持上述参数不变,气隙分别取为3mm,4mm,5mm的情况下,使电磁线圈中的电流在0A至3A之间变化,电磁力与线圈电流的变化规律为衔铁所受电磁力随电磁线圈中通入的电流基本成平方关系递增,且气隙越小,同等电流下衔铁所受电磁力越大,由此可以看出通过控制电磁线圈中的电流大小,可以改变衔铁所受电磁力的大小,即通过控制器的控制可实现对座椅悬架的主动控制。
选取铁芯直径d=100mm,铁芯长度l=100mm,电磁线圈匝数N=3500,并保持上述参数不变,电流分别取为1A,2A,3A的情况下,使气隙在3mm至8mm之间变化,电磁力与气隙的变化规律为衔铁所受电磁力随工作气隙增加而减小,且电流越大,曲线越陡,因此控制器的设计要考虑在衔铁运动的过程中工作气隙的变化对电磁力产生的影响。
3 结论
用ANSYS仿真的方法研究电磁作动器的特性,方法简单,容易实现系统多参数的优化,可作为电磁作动器设计的有效工具。在仿真所选范围内,衔铁所受电磁力随铁芯直径增加而增加,随铁芯长度增加而减少,同等条件下,电磁线圈匝数越多,电磁力越大。衔铁所受电磁力与电磁线圈电流和工作气隙有关,随电流增大电磁力增大,随气隙增大电磁力减小。
参考文献
[1]龚曙光.ANSYS工程应用实例解析.北京:机械工业出版社,2003.
[2]周一鸣,毛恩荣.车辆人机工程学.北京:北京理工大学出版社,1999
作者简介:
张红新, 女, 助教, 研究方向:汽车电子与车辆振动。
关键词:电磁作动器 ANSYS 仿真
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.010
驾驶员主动电磁座椅悬架主要把电磁铁作为悬架的作动器,通过控制电磁线圈电流的变化改变电磁铁的作用力,实现振动的主动控制。相比较液压减振系统而言,它具有不受粘着力限制、磨损少、噪音小、无污染等优良特性。本文介绍了一种主动座椅悬架电磁作动器的结构,并运用ANSYS软件的电磁场分析模块对电磁作动器进行了仿真研究。文章仿真了电磁作动器的磁场分布并研究了电磁铁铁芯直径d,铁芯长度l,电磁线圈匝数N,电磁线圈电流I以及工作气隙等参数对衔铁所受电磁力的影响,以期为电磁作动器及主动电磁座椅悬架控制系统的方案设计提供设计依据。
1 电磁作动器模型的构建
电磁作动器由缸体,缸体两端的电磁铁(外绕线圈),以及衔铁组成。缸体采用不导磁不锈钢材料,具有一定的安装强度且不影响电磁铁的磁场分布。电磁铁铁芯为高磁导率的工程纯铁加工而成的圆柱体,结构简单。铁芯外绕线圈,线圈采用耐热等级E级(120度)的聚酯漆包圆铜线。衔铁与铁芯1为一个整体,可上下运动,载重加在铁芯1上端,从而将衔铁所受电磁力通过铁芯1传递给载重。为简化起见,忽略了人体与座椅悬架上板之间座垫的影响,即将人体质量的75%与座椅悬架上板质量视为一体,作为非簧载质量即载重。
由电磁学原理可知,当衔铁处于两电磁铁的中间位置,电磁线圈通以相同电流,则衔铁所受两电磁铁的电磁引力大小相等,方向相反,合力为零。当座椅受到激振作用或载重质量发生变化(即不同体重的驾驶员)时,衔铁向上(或向下)运动,控制电磁线圈中电流的大小使衔铁所受合力发生改变,从而可以实现对座椅悬架的主动控制,以达到隔振的效果。
用ANSYS软件电磁场分析模块建立了电磁作动器的二维仿真模型。方法如下:进入ANSYS前处理器,选择Magnetic-Nodal模块,定义单元类型为PLANE53,定义各材料磁导率。电磁作动器各部件用相应的矩形面表示,为各矩形面赋予相应的材料属性,即可得到电磁作动器的模型。需要注意的是,必须在电磁作动器的周围建立空气面,否则仿真结果会失真。模型外围节点加平行边界,电磁线圈加电流载荷,定义衔铁为ARM组件,并施加力标志。求解后即可进入后处理器查看计算结果,包括电磁作动器的磁力线分布,磁通密度云图及其矢量图,和衔铁所受电磁力。
2 仿真结果分析
电磁铁产生的电磁力大小是电磁主动座椅悬架控制的最终目标,因此本文详细分析了改变电磁铁铁芯直径d,铁芯长度l,线圈匝数N,工作气隙δ和线圈电流I等参数时,电磁力的变化規律。
选取铁芯长度l=100mm,电磁线圈匝数N=3500,电流I=3A,气隙=3mm,并保持上述参数不变,使铁芯直径d在30mm至60mm之间变化,电磁力与铁芯直径的变化规律为衔铁所受电磁力随铁芯增大而增大,这主要是因为电磁力与磁路有效截面积有关,铁芯直径越大,磁路有效截面积也越大,电磁力也越大。但铁芯直径增加会导致铁芯体积增加,重量也增加,因此选择铁芯直径要兼顾两方面因素,使得电磁作动器的性能达到最优。
选取铁芯直径d=100mm,铁芯长度l=100mm,电磁线圈匝数N=3500,电流I=3A,气隙=3mm,并保持上述参数不变,使铁芯长度l在100mm至300mm之间变化,电磁力与铁芯长度的变化规律为衔铁所受电磁力随铁芯长度增大而减小,这主要是因为铁芯长度在100mm至300mm范围内,磁路未饱和,铁芯漏磁随铁芯长度增加而增大,因而电磁力随铁芯长度增加呈减小趋势。
选取铁芯直径d=100mm,铁芯长度l=100mm,气隙=3mm,并保持上述参数不变,电流分别取为1A,2A,3A的情况下,使电磁线圈匝数在2000匝至4500匝之间变化,电磁力与线圈匝数的变化规律为衔铁所受电磁力随电磁线圈匝数基本成平方递增,且电流越大,曲线越陡。
选取铁芯直径d=100mm,铁芯长度l=100mm,电磁线圈匝数N=3500,并保持上述参数不变,气隙分别取为3mm,4mm,5mm的情况下,使电磁线圈中的电流在0A至3A之间变化,电磁力与线圈电流的变化规律为衔铁所受电磁力随电磁线圈中通入的电流基本成平方关系递增,且气隙越小,同等电流下衔铁所受电磁力越大,由此可以看出通过控制电磁线圈中的电流大小,可以改变衔铁所受电磁力的大小,即通过控制器的控制可实现对座椅悬架的主动控制。
选取铁芯直径d=100mm,铁芯长度l=100mm,电磁线圈匝数N=3500,并保持上述参数不变,电流分别取为1A,2A,3A的情况下,使气隙在3mm至8mm之间变化,电磁力与气隙的变化规律为衔铁所受电磁力随工作气隙增加而减小,且电流越大,曲线越陡,因此控制器的设计要考虑在衔铁运动的过程中工作气隙的变化对电磁力产生的影响。
3 结论
用ANSYS仿真的方法研究电磁作动器的特性,方法简单,容易实现系统多参数的优化,可作为电磁作动器设计的有效工具。在仿真所选范围内,衔铁所受电磁力随铁芯直径增加而增加,随铁芯长度增加而减少,同等条件下,电磁线圈匝数越多,电磁力越大。衔铁所受电磁力与电磁线圈电流和工作气隙有关,随电流增大电磁力增大,随气隙增大电磁力减小。
参考文献
[1]龚曙光.ANSYS工程应用实例解析.北京:机械工业出版社,2003.
[2]周一鸣,毛恩荣.车辆人机工程学.北京:北京理工大学出版社,1999
作者简介:
张红新, 女, 助教, 研究方向:汽车电子与车辆振动。