用有限元仿真计算法研究螺线管制动器内磁场分布

用有限元仿真计算法研究螺线管制动器内磁场分布
朱姗姗;杨锦忠
【摘要】Analysis for finite element structural of solenoid brake by ANSYS soft is simplifying three - dimensional axis symmetric finite element model to two - dimensional model, defining the element of meshing model and Boundary conditions,then run the simulation, concluding the force of the armature, the inductance of the coil and the cur rent of the coil with the voltage excitation, which makes calculating the braking capacity of the solenoid brake simple and efficient.%采用ANSYS有限元分析软件对螺线管制动器结构进行有限元分析,将螺线管制动器三维轴对称模型简化为二维平面模型,确定单元网格划分模型和有限元模型的边界条件等计算参数,对磁场分布进行仿真计算,求出衔铁部分（螺线管制动器的运动部分）受力情况、线圈电感和电压激励下的线圈电流等,使螺线管制动能力的计算变得快捷而有效。

【期刊名称】《北京工业职业技术学院学报》
【年(卷),期】2012(011)004
【总页数】5页(P13-17)
【关键词】有限元仿真;螺线管制动器;磁场分布
【作者】朱姗姗;杨锦忠
【作者单位】北京工业职业技术学院机电工程系,北京100042;北京工业职业技术学院机电工程系,北京100042
【正文语种】中文
【中图分类】TB972
0 引言
螺线管制动器的应用最突出的问题就是制动器内部磁场分析及制动能力的确定问题，制动能力与制动器内的磁场分布有重要的关系。

然而实际制动器内结构复杂，磁场域中有多种介质，边界形状也较复杂，很难求出磁场分布与制动能力之间的函数关系［1］。

因此，提出用数值仿真计算法代替解析法或实验法，对密封装置的磁场分布进行求解。

在ANSYS分析软件中建立有限元计算模型，分析确定螺线管制动器的单元网格划分属性和模型的边界条件等计算参数，对磁场分布进行仿真计算，通过有限元分析得出静态磁场中衔铁(螺线管制动器的运动部分)的受力情况、线圈电感和电压激励下的线圈电流以及瞬态磁场中线圈电流、衔铁受力和线圈电感随时间的响应情况。

1 建立螺线管制动器有限元模型
虽然所有的物体都是三维的，但是在ANSYS软件中进行静态磁场分析，依据分析实例和计算求解的不同，有二维平面和三维实体分析2种方法［2］。

用二维平面分析法建模更容易，运算速度更快捷，但是对问题的描述有一定的局限性;用三维
实体分析法建模比较复杂，计算速度比较慢，但能够模拟所有工程实例，应用更加广泛［3～5］。

由于螺线管制动装置关于中心轴对称，因此选用二维平面分析法
进行分析求解，将所研究的螺线管制动器的三维轴对称模型简化成理想的二维平面物理模型(如图1所示)，各参数如表1所示，选用PLANE13二维实体单元划分网格，最后确定有限元计算模型(如图2所示)。

图1中Amature是制动器的运动部分——衔铁，由铁质构成;Backiron是制动器的固定部分，由铁质构成，用以在线圈周围形成磁路;Coil是铜线缠绕绞线圈，650匝，每匝电流1安培;gap是制动器运动和固定部分之间的1个很小的空气间隙。

表1 参数说明参数说明n=650 线圈匝数，在后处理中用I=1.0 线圈电流
(A)ta=0.75 磁路内支路厚度(cm)tb=0.75 磁路下去支路厚度(cm)tc=0.50 磁路外支路厚度(cm)td=0.75 衔铁厚度(cm)wc=1 线圈宽度(cm)hc=2 线圈高度(cm)gap=0.25 间隙(cm)space=0.25 线圈周围空间距离(cm)ws=wc+2×space hs=hc+0.75 w=ta+ws+tc 模型总宽度(cm)hb=tb+hs h=hb+gap+td 模型总高度(cm)acoil=wc×hc 线圈截面积(cm2)jdens=n×I/acoil 线圈电流密度
2 二维螺线管制动器内静态磁场分析
假设线圈电流产生很小的磁通，铁区尚未饱和，因此进行线性分析的1次迭代求解即可。

为简化分析过程，假定模型周围铁区的磁漏亦很小，在法向条件下，则直接用空气模拟模型周围磁漏影响［6］。

因为假定模型边界处没有磁漏，则边界处磁通量与边界平行，由此用“flux parallel”施加模型的边缘边界条件。

对于稳态电流，在线圈面上以输入电流密度的形式输入电流。

施加线圈的电流密
度:jdens/(0.01×2)，运算求解后，查看计算结果。

图3 磁力线分布图
图3所示为螺线管磁力线分布图，在制动器固定部分下方靠近中心轴的外侧磁场磁力线较为密集，绝大部分磁力线通过此处，使得该处磁场强度大。

在空气间隙区域磁力线稀疏，有少量漏磁现象。

图4所示为分别用虚功方法和Maxwell方法处理而得到的衔铁受力，分别是－0.14826E－03(N)和－0.13398E－03(N)，负号表示力的方向沿着Y轴负向。

图5表示以矢量方式显示磁流密度。

磁流密度最大
值位于制动器固定部分远离空气间隙靠近中心轴的外侧。

图6为以节点显示的3/4螺线管制动器三维有限元模型的磁流密度等值云图，图中MIN是磁流密度最小处，MAX是磁流密度最大处。

图4 虚功法和Maxwell应力张量法衔铁的受力
3 二维螺线管制动器内瞬态磁场分析
对螺线管制动器内瞬态磁场进行有限元分析，旨在研究在已知变化电压载荷下，线圈电流、衔铁受力和线圈电感随时间的响应情况，其模型参数及网格划分的有限元模型与二维静态磁场分析中的模型完全一致，只是激励源是随着时间变化的电压，不再是稳态直流电流。

在0.01s内给线圈施加(斜坡式)电压0～12V后保持电压常数直到0.06s结束。

求
解时，使用恒定时间步长，分为3个载荷步，分别设置在0.01s，0.03s和0.06s。

运算求解后，查看运算结果。

图7 螺线管制动器内磁场瞬态分析数据
如图7所示为从仿真分析开始到结束，在已知变化电压载荷下，衔铁受力、线圈
电流和线圈电感随时间变化的数据结果。

4 结论
通过对螺线管制动器磁场分布有限元分析计算，确定了螺线管制动器静态磁场分布和瞬态磁场分布。

从分析数据结果中衔铁受力情况可以有效得出螺线管制动器的制动能力。

另外，磁通线分布云图能够很形象地描述磁场的分布状况，从而有效地控制磁漏现象。

参考文献
［1］韩寿松，苏力刚.利用ANSYS进行磁性流体密封装置磁场设计［J］.润滑与
密封，2005(3):128－130.
［2］顾建明，许永兴，陆明琦，等.磁流体密封间隙对密封性能的影响［J］.上海交通大学学报，1999，33(3):380－382.
［3］王俊勇，蒋生发.用有限元方法合理设计磁流体密封结构［J］.润滑与密封，1999(5):15－17.
［4］张瑗，张建斌，邵新杰.磁流体密封的磁场分析［J］.润滑与密封，
2002(4):24－28.
［5］樊玉光，袁淑霞.一种零泄漏密封技术——纳米磁性流体密封研究的进展［J］.润滑与密封，2003(2):81－85.
［6］Lu Q H，Yao K L，Xi D，et al.Synthesis and characterization of composite nanoparticles comprised of gold shell and magnetic core/cores ［J］.Magnetism and Magnetic Materials，2006(301):44－49.。