基于AnsoftMaxwell的自密封式电磁铁设计与仿真.docx

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基于AnsoftMaxwell的自密封式电磁铁设计与仿真

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摘要：利用导磁材料的磁饱和特性，设计了一种自密封式电磁铁，电磁铁壳体为1J22的软磁合金，绕组为铜制漆包线，使用AnsoftMaxwell软件进行了电磁铁壳体不同壁厚时的电磁仿真，分析了电磁铁壳体磁饱和特性与电磁吸力的关系，通过数值计算对电磁吸力进行了计算校核。得到一定条件下电磁铁壳体壁厚和绕组工作电压与电磁吸力、有效气隙的相对关系，为自密封式电磁铁的设计提供了参考和依据。

关键词：电磁铁磁饱和电磁仿真电磁力计算

1引言

电磁铁作为一种基础电气元器件，广泛应用于电气自动化领域。电磁铁一般由电磁铁壳体、复位弹簧、线圈骨架、绕组、衔铁、限位板、端盖等部分组成，常规电磁铁结构示意图及其磁力线分布如图1所示[1]。

a．常规电磁铁结构示意图b.常规电磁铁磁力线分布图

图1常规电磁铁结构示意图和磁力线分布图

在图1中，衔铁上端面与电磁铁壳体间的间隙称为气隙，电磁铁壳体、衔铁和端盖一般采用相对磁导率较高的强磁性材料，例如电工纯铁、软磁合金1J22、10#碳素钢等，线圈骨架一般用非导磁或弱导磁材料，如非金属或铜等。电磁铁常用于为阀类产品的阀芯提供动力，流体可能通过轴孔与芯轴间隙进入电磁铁，从电磁铁尾端或出线孔等部位溢出，进入电磁铁的流体还会对电磁铁绕组和电路的工作性能产生影响，使电磁阀产品的整体可靠性不佳。为了实现电磁铁绕组与输出端可靠密封，提高电磁铁的工作稳定性和可靠性，需要设计一种自密封式电磁铁。针对电磁铁设计过程中需要了解却又无法感知和观测的设计特征，例如磁力线分布、磁感应强度分布、电磁力变化、等特征，可以通过AnsoftMaxwell软件得到直观的仿真结果，便于对比和分析[2]。

2结构与原理

2.1结构设计

根据磁通量饱和特性，在磁路上需要溢出的部位（电磁铁壳体靠近衔铁的位置）将电磁铁壳体设计的较薄[3]，自密封电磁铁结构示意图和磁力线图如图2所示。自密封电磁铁主要由电磁铁壳体、导磁套、绕组、衔铁、堵盖、复位弹簧、隔垫等组成。

a．电磁铁结构b.磁力线分布

图2自密封式电磁铁结构示意图及其工作时磁力线分布图

2.2工作原理

导磁材料不饱和情况下，磁阻小，磁通沿着导磁零件传递。随着导磁材料内部磁密的增加，一定结构中磁通量逐渐达到饱和，此时需要较大的磁势才能增加微量的磁通，磁密大到一定程度，其消耗的磁势大于在空气中消耗的磁势，可认为此时该材料的磁阻大于空气的磁阻，根据磁通总是沿着磁阻较小的路径传递这一原理，当电磁铁壳体较薄处中的磁通量达到饱和状态时，磁力线会溢出壳体进入空气中传递，从靠近衔铁处溢出的磁力线进入衔铁中进行传递，使衔铁获得电磁力[4]。自密封式电磁铁工作时磁力线分布如图2所示。

电磁铁安装面为上端面，可通过法兰或焊接进行安装，电磁铁断电时复位弹簧将衔铁推回并保持在原位，电磁铁通电后，衔铁获得电磁吸力，将复位弹簧压缩，并提供向上的推力。

3计算与仿真

根据仿真和计算需要，以下仿真中电磁铁均为直流电驱动。电磁铁壳体、导磁套、衔铁选用软磁合金1J22，其在磁场强度为2000A·m-1时达到磁饱和状态，其达到磁饱和状态的磁感应强度（即磁密）约为2.1T。绕组采用非自粘性漆包线QY-2/2200.4（GB/T6109.6-2008）绕制，最大外径0.478mm，标称电阻0.136Ω·m-1（20℃）。使用AnsoftMaxwell软件对电磁铁进行建模，然后分别进行静态磁场仿真和瞬态磁场仿真，根据仿真结果分析电磁铁壳体壁厚、绕组工作电压对电磁铁磁铁产生的影响。

将电磁铁壳体分为中间壁厚、两端壁厚、导磁套厚度分别进行仿真分析。在AnsoftMaxwell软件中建立关于Z轴对称的自密封式电磁铁二维模型，完成边界设定和网格划分，分别进行静态磁场和瞬态磁场仿真，瞬态磁场仿真中气隙值设定为0.25mm，衔铁移动速度为1mm·s-1。

3.1中间壁厚变化

设定绕组工作电压为15V，两端壁厚均为20mm，导磁套厚度为5mm时，设定中间壁厚分别为17.5mm、14mm、10.5mm、7mm、3.5mm。绕组位置及中间壁厚变化设定尺寸如图3所示。

图3绕组位置及中间壁厚变化设定示意图

已知绕组漆包线外径D=0.478mm，标称电阻0.136Ω·m-1（20℃），通过计算得到绕组匝数为4711，总长度约为1132m，总电阻约为154Ω。将模型和参数输入

完成仿真后，选取磁力线分及磁感应强度分布图和电磁吸力曲线图进行分析。

a．磁力线及磁感应强度b.电磁吸力变化图

图4中间壁厚为17.5mm电磁仿真结果

如图4所示，当中间壁厚为17.5mm时，磁力线全部在电磁铁壳体中传递，靠近