李 威，胡旭東，李其朋

（1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

近年來，由于人們對(duì)高頻響、抗污染能力強(qiáng)、成本低廉的電液控制系統(tǒng)的新需求，傳統(tǒng)的開關(guān)閥換向頻率低和電液伺服閥抗污能力差、價(jià)格昂貴等不足已經(jīng)越來越不能滿足人們的要求。而高速開關(guān)閥具有能耗低、對(duì)污染不敏感、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、工作精度較好、響應(yīng)速度較高等特點(diǎn)，而且高速開關(guān)閥可與計(jì)算機(jī)直接相連，以完成對(duì)被控對(duì)象的控制任務(wù)。在汽車、工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械等諸多領(lǐng)域，高速開關(guān)閥都已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。高速開關(guān)電磁鐵是高速電磁開關(guān)閥的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)部件，其性能直接決定了液壓閥及系統(tǒng)的工作特性[1-9]。因此，高速開關(guān)電磁鐵成為了國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

但是，目前的高速開關(guān)電磁鐵多由彈簧機(jī)構(gòu)回復(fù)。彈簧在服役過程中，疲勞破壞可造成高速開關(guān)電磁鐵失效，輕則引起機(jī)械失控，重則可引起重大事故，造成人員傷亡[10-12]。故本研究提出一種磁回復(fù)機(jī)構(gòu)代替彈簧機(jī)構(gòu)，并對(duì)磁回復(fù)高速開關(guān)電磁鐵進(jìn)行仿真，探討磁回復(fù)機(jī)構(gòu)對(duì)其靜態(tài)特性的影響。

1 結(jié)構(gòu)與原理

磁回復(fù)高速開關(guān)電磁鐵如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)由銜鐵、擋塊、外殼、線圈、推桿、端蓋、環(huán)形永磁體等組成。銜鐵在導(dǎo)磁套內(nèi)可自由移動(dòng)，銜鐵移動(dòng)帶動(dòng)推桿輸出位移。隔磁片的作用是使線圈產(chǎn)生的磁場回路和環(huán)形永磁體產(chǎn)生的永磁場回路相對(duì)獨(dú)立，避免互相干擾。在端蓋上有一環(huán)形槽，環(huán)形槽中有一環(huán)形永磁體。環(huán)形永磁體采用高性能的釹鐵硼稀土永磁材料，環(huán)形永磁體的作用是提供永磁回復(fù)力，使銜鐵復(fù)位。

圖1 磁回復(fù)高速開關(guān)電磁鐵結(jié)構(gòu)

磁回復(fù)高速開關(guān)電磁鐵的工作原理如圖2 所示。當(dāng)線圈未通電時(shí)，僅有環(huán)形永磁體產(chǎn)生的極化磁場，形成磁路Φ1和Φ2，在永磁力的作用下，銜鐵帶動(dòng)推桿向右運(yùn)動(dòng)，直至撞上端蓋；當(dāng)線圈通入一定極性的電流時(shí)，線圈產(chǎn)生的控制磁通建立控制磁路，控制磁路經(jīng)過工作氣隙產(chǎn)生電磁力，以克服永磁吸力并向左運(yùn)動(dòng)，直至撞到限位片。

圖2 磁回復(fù)型高速開關(guān)電磁鐵工作原理示意圖

2 仿 真

2.1 仿真建模

本研究在有限元仿真軟件Ansoft/Maxwell 中建立了磁回復(fù)型高速開關(guān)電磁鐵仿真模型。由于磁回復(fù)高速開關(guān)電磁鐵為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，筆者建立的仿真模型取一半的結(jié)構(gòu)，可節(jié)省計(jì)算仿真時(shí)間，且不影響精度。

本研究在Ansoft/Maxwell 中設(shè)置模型的材料。銜鐵、擋塊、外殼、法蘭、導(dǎo)磁片等由導(dǎo)磁材料純鐵DT4制成，它的磁化曲線如圖3 所示。隔磁片、隔磁套由非導(dǎo)磁材料銅或鋁制成。環(huán)形永磁體由釹鐵硼稀土永磁材料制成，水平磁化。

圖3 純鐵磁化曲線

在有限元軟件中，網(wǎng)格劃分關(guān)系到計(jì)算精度以及計(jì)算時(shí)間。在Ansoft/Maxwell 中，本研究對(duì)磁回復(fù)高速開關(guān)電磁鐵模型采用三角形網(wǎng)格劃分，并對(duì)銜鐵端部、環(huán)形永磁體及工作氣隙等關(guān)鍵部位進(jìn)行了網(wǎng)格加密，網(wǎng)格劃分圖如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

在Ansoft/Maxwell 中，本研究選擇求解域的邊為氣球邊界，選擇中心軸線為對(duì)稱邊界。設(shè)置環(huán)形永磁體長度、深V 槽深度和寬度、銜鐵上的沉孔深度等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)作為求解的參數(shù)變量，并添加求解設(shè)置，運(yùn)行軟件求解。

2.2 參數(shù)分析

磁回復(fù)高速開關(guān)電磁鐵主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2 所示，有環(huán)形永磁體長度、深V 槽深度和寬度、銜鐵上的沉孔深度。

基于如圖1 所示結(jié)構(gòu)的磁回復(fù)高速開關(guān)電磁鐵，通過改變上述結(jié)構(gòu)參數(shù)，筆者對(duì)模型的靜態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析。由于銜鐵靠近環(huán)形永磁體0.2mm 后，永磁力急劇增大，呈非線性增長。為了使銜鐵在回復(fù)行程中受力呈線性化，本研究在分析時(shí)取銜鐵和環(huán)形永磁體之間的距離為0。磁回復(fù)高速開關(guān)電磁鐵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)銜鐵受力影響圖如圖5 所示。仿真結(jié)果表明：

（1）如圖5（a）所示，在無激勵(lì)源時(shí)，當(dāng)環(huán)形永磁體的長度變長時(shí)，銜鐵受到的永磁力也相應(yīng)增加，當(dāng)環(huán)形永磁體長度增長到5 mm 后再繼續(xù)增長時(shí)，銜鐵受到的永磁力變化則趨于平緩。

其原因?yàn)椋寒?dāng)環(huán)形永磁體長度增加時(shí)，相當(dāng)于磁體體積增大，銜鐵受力變大；當(dāng)環(huán)形永磁體長度增長到5 mm 后再繼續(xù)增長時(shí)，通過銜鐵的磁通量不再增加，銜鐵受到的永磁力趨于平緩。

（2）如圖5（b）所示，深V 槽的深度增加，銜鐵受到的永磁力也增大，當(dāng)深度增加到10mm 后再繼續(xù)增加時(shí)，銜鐵受到的永磁力則增加緩慢，趨于平緩。

其原因?yàn)椋寒?dāng)深V 槽的深度增加，磁路Φ2 不經(jīng)過工作氣隙的漏磁減少，銜鐵受到的永磁力增加；當(dāng)深V槽的深度增加到10mm 后再繼續(xù)增加時(shí)，由于磁路Φ2不經(jīng)過工作氣隙的漏磁不再減少，所以銜鐵受到的永磁力不再增加。

（3）如圖5（c）所示，深V 槽的寬度增加，銜鐵受力增加，當(dāng)槽寬增加到4mm 后再繼續(xù)增加時(shí)，則銜鐵受力趨于平緩。

圖5 磁回復(fù)高速開關(guān)電磁鐵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)銜鐵受力影響圖

其原因?yàn)椋荷頥 槽槽寬增加，磁路Φ2 的漏磁減少，致使銜鐵受力增加；當(dāng)深V 槽槽寬增加到4 mm 后再繼續(xù)增加時(shí)，由于磁路Φ2的漏磁不再減少，則銜鐵受力趨于平緩。

（4）沉孔內(nèi)徑遠(yuǎn)小于環(huán)形永磁體內(nèi)徑時(shí)，沉孔深度增加對(duì)磁路Φ1和Φ2 不大；當(dāng)沉孔內(nèi)徑與環(huán)形永磁體內(nèi)徑相同時(shí)，如圖5（d）所示，沉孔深度增加，銜鐵受力減少，當(dāng)沉孔深度增加到1 mm 后再繼續(xù)增加時(shí)，銜鐵受力則趨于平緩。

其原因?yàn)椋撼量咨疃仍黾?，磁路?磁阻增加，致使銜鐵受力減??；當(dāng)沉孔深度增加到1 mm 后再繼續(xù)增加時(shí)，磁路Φ1中一部分磁路改變路徑，不再通過沉孔，銜鐵受力不再減少。

3 結(jié)束語

本研究提出了一種基于磁彈簧的高速開關(guān)電磁鐵結(jié)構(gòu)，并就其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了仿真分析。

仿真結(jié)果表明：永磁體長度、深V 槽深度和寬度增加，銜鐵受力增加，當(dāng)增加至一定值后，銜鐵受力趨于飽和；沉孔深度增加，銜鐵受力減少，當(dāng)增加至一定值后，銜鐵受力趨于平緩。筆者綜合考慮整段行程中銜鐵的受力情況以及制造和裝配情況，當(dāng)環(huán)形永磁體長5 mm，深V 槽深10 mm，寬4 mm，沉孔深2 mm 時(shí)，推桿輸出特性良好。

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