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《基于maxwell的电磁铁吸力特性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、基于Maxwell的电磁铁吸力特性研究第42卷第5期2011年9月太原理工大学J0URNAL0FTAIYUANUNIVERSITY0FTECHN0I0GYVo1.42NO.5Sep.2011文章编号:1007—9432(2011)05—0490—04基于Maxwell的电磁铁吸力特性研究吴波,廉自生,刘远波(太原理工大学机械工程学院,太原030024)摘要:利用Maxwel1对电磁铁作了静磁场分析和瞬态分析.静磁场分析中得到了电磁铁的磁通密度和磁感应强度分布图,验证了电磁先导阀在本质安全型电源供电条件下,能完全满足先导阀的开启和关闭.瞬
2、态分析后,得出了电磁铁在恒定负载情况下的动态特性,并进一步验证了该电磁铁的可靠性.该研究为生产制造电磁先导阀提供了理论依据.关键词:电磁铁;静磁场分析;动态特性中图分类号:TD421.8;TH137.52文献标识码:A本质安全型电磁先导阀是煤矿液压支架实现电液控制的关键部件.目前,世界上只有德国(DBT,MACRO),美国(JOY)等研究并制造出这种阀.我国煤矿自动化生产工作面使用的电磁先导阀全部采用进口产品,为此付出大量外汇.到目前为止,我国还没有成熟的研发技术,因此研究并制造出这种阀成为国内急需.该阀的主要特点是电压低,驱动电流小,
3、既要符合本质安全型电器设备的要求,还必须具备多个电磁阀可同时驱动的功能,便于成组地顺序移动液压支架.这是研究这种阀的关键技术.该电磁先导阀要求功率小于2W,是常规电磁阀功率的1/20,是一种超小功率的电磁换向阀.为保证电磁先导阀的开启和复位的准确性,笔者根据电磁阀基本原理设计并优化了先导阀电磁铁结构;应用Maxwell软件,对电磁铁的吸力特性进行研究,确保该电磁铁响应速度快,动作平稳可靠,从而满足设计要求.l电磁铁的结构图1所示为本质安全型电磁先导阀电磁铁结构简图.此电磁铁是中心轴对称的圆筒形结构,由导套,轭铁,线圈,衔铁,极靴等组成.
4、轭铁采用导磁材料,以形成封闭磁回路.设计参数为:电磁铁工作时的负载范围为3.56～4.O9N;行程z一2mm;启动电流为0.11A;额定电压为12V;电磁铁的线圈砸数为4458匝;线圈的总电阻为109Q.电磁铁工作原理是依据能量最小原理,磁力线总是具有沿着磁阻最小的路径闭合,并有力图缩短磁通路径以减小磁阻.其磁路由极靴经工作气隙,轴向可移动衔铁,径向非工作气隙,导套,轭铁回到极靴.在图1所示的结构中,衔铁运动使工作气隙不断减小,因而主磁通不断增加,而漏磁通不断减小,使螺管力与端面力不断变化.在吸合处漏磁通与主磁通相比,其值可忽略不计,螺
5、管力趋于零.l一导套;2一轭铁;3线圈;4一衔铁;5一极靴图1电磁铁结构图2电磁铁的数学模型图2是根据电磁铁动作过程所受的力,描述了电磁铁工作时的数学模型.图2电磁铁的数学模型收稿日期:2011-03—15基金项目:国家自然科学基金资助项目(50775155)作者简介:吴波(1970一),男,山西河津市人,讲师,主要从事机械设计及机电液一体化研究,(Te1)13603585721第5期吴波等:基于Maxwell的电磁铁吸力特性研究4912.1电磁线圈回路方程线圈回路的电压方程:U—IR+e.(1)式中:e一,e为感应电动势;U,,R,~
6、I2分别为电源电压(V),线圈中电流(A),回路电阻(f1),磁路磁通(Wb).式(1)中是电流f和行程z的函数,可表示为:一L(z).(2)将式(2)代入式(1)得电磁线圈回路的电压方程:u—IR+dIat+警.(3)Q.Za2.2电磁铁受力方程复位弹簧的工作载荷:F一F0+kx—k(z+zo).(4)式中:k为电磁先导阀的复位弹簧的刚度;F.一kx.为弹簧的预压缩力.电磁铁的工作阻尼力:Ff一一Bd,x.(5)式中:B为工作阻尼系数.电磁吸力方程:F.一.㈩将式(5)代入式(6)得:F一导.㈩2.3电磁铁运动部分的位移方程电磁铁的运
7、动方程:F.一警+Ff(z)+F(1z).(8)式中:rn为电磁铁衔铁运动部分质量;为电磁铁衔铁的行程;F为电磁铁吸力;F(z)为电磁先导阀的阻尼力;F()为电磁铁的复位弹簧的工作载荷.综上分析,由式(2),(8)可知电磁铁吸力是气隙,电流及电感的函数,电磁铁吸力与气隙,电流,电感的关系可以抽象地表达为:F一g(,z,N).(9)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.3电磁铁的静磁场分析Maxwell2D的静磁场求解器用于分析空间恒定磁场,即磁场不随时间变化.通常包括以下几种情况:稳恒电流产生的磁场;外加静磁场产
8、生的磁场;匀速移动的导体产生的磁场;永磁体产生的磁场.它分析的对象包括非线性的磁性材料和各向异性材料.该模块可自动计算磁场力,转矩,电感和储能.由于所分析的电磁铁是轴对称的,在Maxwell2D的RZ柱坐标
