Infolytica软件电磁铁解决方案

INFOLYTICA专业电磁场仿真软件

――电磁铁解决方案

海基科技

2010 年 1月

目录

1. 采用电磁有限元软件分析电磁铁的重要性 (3)

2.应用INFOLYTICA软件分析电磁铁的优点 (3)

2.1主要优点概述 (3)

2.2在电磁铁分析中的优点 (4)

2.2.1 CAD接口功能 (4)

2.2.2 动态仿真能力 (5)

2.2.3 与simulink联合仿真 (6)

2.2.4 磁热耦合计算 (7)

2.2.5 优化设计 (8)

3. INFOLYTICA软件在电磁铁中的应用实例 (9)

3.1问题描述 (9)

3.2仿真结果 (10)

3.2.1 磁场分布 (10)

3.2.2 新老模型吸合过程比较 (11)

3.2.3新老模型提升过程比较 (15)

3.2.4 老模型提升过程（500ms） (21)

3.2.5新模型提升过程（500ms） (23)

4. 软硬件配置建议 (25)

5. 部分客户列表 (26)

6. 海基公司简介 (26)

1. 采用电磁有限元软件分析电磁铁的重要性

电磁铁利用通电线圈激磁产生电磁力，驱动阀芯运动以开启和关闭阀门，结构紧凑、尺寸小、重量轻、密封良好、维修简便、可靠性高，是自动控制领域的重要部件。但是，电磁铁的电磁设计目前往往还停留在基于磁路的方式、凭经验公式或模仿国外同类产品，产品性能靠估算和事后测试。

比例电磁铁关系是到电子调速器可靠性的重要装置，其功能是将输入的电流信号，转换成力或位移信号输出，其轴向推力与线圈电流成正比且在有效行程范围内保持恒定。由于影响比例电磁铁性能特性的结构参数较多，传统设计一般采用磁路法，对各个结构参数作用评估往往不够具体和准确，需要采用电磁有限元方法进行准确计算。

在电喷系统中，高速电磁阀借助于控制电磁铁产生的电磁吸力，使得电磁阀芯正、反向高速运动，从而实现液流在阀口处的交替通、断功能。其高速响应特性是高速电磁阀设计应考虑的重要指标。通过电磁阀材料的选择、结构优化及驱动电路设计等方面进行综合优化，可以获得较好的动态响应特性。电磁力的计算并获得其数值的大小是进行理论分析的基础，但是在实际计算中都采用磁路法，进行了较多的简化，其计算结果与实际结果必然相差较大。因此。目前在电磁阀研究中，采用磁路法给出定性的指导，大量工作是通过试验进行优化研究，这将大大增加研发周期和成本。

随着计算机技术的发展，电磁场数值计算技术已用于电机工程领域，有限元法因几何适应性强、易于处理非线性、非均匀媒质等优点，已成为最有效、应用最广泛的方法。采用电磁场有限元方法对电磁阀进行计算，可以考虑磁场分布中的漏磁现象和磁场饱和现象，计算结果更加接近实际结果。采用有限元法可大大缩短电磁阀开发设计的周期，增加阀的多样性，提高产品的性能，增强市场竞争力。

2.应用Infolytica软件分析电磁铁的优点

2.1 主要优点概述

Infolytica的软件作为专业而且历史悠久的电、磁、热仿真软件，无论从操作上或是求解精度或是技术支持上，别的软件都是无法比拟的，其优点主要可以总结为以下几点：

9真实和友好的视窗界面，使用户容易迅速了解软件功能。

9模型的所有参数和求解结果等存储在一个压缩的文件内，减少存储空间，便于统一管理。

9非常方便的几何建模能力，可以快速处理各种复杂几何形状。

9与其他三维设计软件的接口能力，包括：AutoCAD， SAT，CATIA，IGES，Pro/E，TEP，Inventor，etc.

9所建立的模型，在MagNet，ThermNet，ElecNet任一软件中建立的模型可以直接在另外两个软件内使用，无须重复建模。

9可编辑和自定义的材料属性。

9隐含网格剖分，和自适应网格。

9方便的定义边界条件。

9可以定义与模型连接的电路。

9领先于其他软件厂商同类产品的高效稳定的求解器。

9求解器可以分析2D/3D模型的：静磁场，时间谐振场，瞬态场，有运动部件模型的瞬态场。

9运动求解器支持多个运动部件的任意运动。

9提供详细和精确的仿真结果，使设计人员可以全面的了解所设计模型的性能。

9求解量的自动化的图表处理。

9Infolytica的磁场分析软件Magnet 可以和热场分析软件ThermNet进行耦合求解。

9强大的参数化功能，可将模型几何，材料，激励，网格属性等量参数化，进行多个工况的求解。

9完备的脚本语言,可以容易的对软件进行二次开发。

9基于ActiveX，可以和其他基于同样技术的软件接口，如MatLab, Excel，等。

9多个实用的插件可以免费下载供用户使用，并且在不断扩充。

9大量的在线应用实例，提供各种类型的应用实例，包括多个TEAM 的基准算例。

9强大及时的技术支持和售后服务。

2.2 在电磁铁分析中的优点

2.2.1 CAD接口功能

采用其他CAD软件建立的2D/3D模型可以方便地与INFOLYTICA软件接口。导入是指其它CAD软件建立的模型可以导入到INFOLYTICA软件内；导出是指在INFOLYTICA软件内部建立的模型导出成其它CAD可识别的文件格式。同时在INFOLYTICA的MagNet，ThermNet和ElecNet之间，模型也是通用的。

INFOLYTICA可以导入或导出多种2D/3D模型，包括：

AutoCAD files (*.dxf)

SAT files (*.sat)

CATIA V4 files (*.model)

CATIA V5 files (*.model)

IGES files (*.igs, *.iges)

Inventor files (*.idw, *.ipt, *.iam)

Pro/E files (*.asm, *.prt )

STEP files (*.stp, *.step)

下图是以stp格式导入的模型实例。

在File菜单下有导入（Import）和导出（Export）选项。

选择Import，弹出导入窗口，如下图：

模型，相应的在INFOLYTICA内的模型也相应变化。

2.2.2 动态仿真能力

Infolytica对运动体的设置及其方便快捷，运动体的驱动方式有速度驱动和负载驱动两种，运动方式有旋转运动和直线运动两种，还有独一无二的多自由度和多运动部件仿真能力，可以对任意的电磁驱动设备进行仿真。

对于电磁铁，我们可以采用负载驱动和直线运动方式即可，只需对线圈设置驱动电压，infolytica就能

自动计算电磁力，驱动阀芯运动，包含各种计算结果例如线圈的电流变化曲线等等。

由于电磁阀的具体情况，infolytica可以考虑液体阻力和弹簧力及其他一些摩擦和重力效应。在阀芯的

运动过程中，将受到液体阻力和弹簧阻力等等，其中液体阻力是基于速度大小的，弹簧阻力是基于位移大

小的，infolytica都能非常准确的表达这种关系，准确地进行动态仿真。

下图就是液体阻力和弹簧阻力的定义：

2.2.3 与simulink联合仿真

infolytica软件还能和simulink进行联合仿真，采用simulink建立闭环控制电路，infolytica建立电磁模型，二者联合进行电流、速度、位置闭环控制系统级的动态仿真，通过对电压斩波来达到对电流的精确控制。

2.2.4 磁热耦合计算

由于能量的损失依赖于物质的属性，而这些物质的属性被温度所影响。ThermNet中耦合热电磁分析中有一个双向链接。这个链接保证在一个部件的每一点上，能量损失和温度在每一步迭代解的过程中能够被更新。

热场2D（3D）---磁场2D（3D）耦合仿真：

电磁与热耦合仿真考虑了随时间变化的欧姆，功率和铁损的影响。

2D（3D）静热场和 2D（3D）瞬态热场求解器能够与以下任意一个 MagNet 求解器进行耦合仿真： 2D（3D）静磁场求解器

2D（3D）时间谐振求解器

2D（3D）瞬态求解器

2D（3D）瞬态运动求解器

在耦合求解中，双向的连接和基于温度的材料属性，可以确保在每一次耦合过程，都会对损耗和温度进行更新。

使能（ Enable ）和使失效（ Disable ）选择

根据所分析的具体情况，有时候有必要忽略在磁场求解或热场求解的某一个特点，但要在另一个求解中保留。所以， enable 和 disable 功能允许用户可以在进行分析时来对某个部件是否进行仿真计算进行控制。例如：在感应加热系统中，线圈，空气，和被加热的部件在磁场分析中是必须的；但是，在热场分析中，仅仅需要被加热的部件。

耦合静态热场分析求解器控制选项：

设定被首先求解的求解器（磁场或热场）。

最大的耦合迭代次数。

耦合问题的收敛度。

耦合瞬态场分析求解器控制选项允许给定求解电磁问题的次数：

在每一步热场分析后，求解电磁问题。

在开始求解电磁问题。

在用户定义的间隔内，求解电磁问题。

可以选择在热场分析和磁场分析中是否使用同样的或者不同的网格：

由于 ThermNet 的网格自适应和 MagNet 的自适应有各自不同的要求，因此他们各自独立的工作。收敛度根据作为全局变量的能量的变化而定义。

瞬态-瞬态时间步长：

当进行瞬态 - 瞬态仿真时 MagNet 和 ThermNet 的时间步长至少需要一个数量级的差别。

如果时间步长是可以比较的，则需要用到 MultiNet 来正确的处理这种耦合分析。

瞬态磁场---瞬态热场耦合计算原理图：

2.2.5 优化设计

OptiNet 是 Infolytica 为工程师们进行电磁和热设备优化设计而开发出的具有创新意义的工具。它可以使用连续和离散变量：没有任何其他的软件具备这项能力。

部分功能如下：

z优化算法不但可以处理连续取值变量，也可以进行离散值优化。

z优化算法采用效率非常高的进化策略（Evolutionary Strategy)，处理变量非常多的模型也高效可靠。

z敏感度分析用来评估设计变量的全局变化量。

z用户可以选择预先定义和可定制的目标函数和变量限制条件。

z优化过程实时显示页面，可用图表的方式来监视变量，目标函数值，和变量限制条件值的变化。

z可以选择察看所有的方案，或只察看优化的方案。

z可以适用Infolytica的MagNet, ElecNet, ThermNet, 和MagNet-ThermNet耦合求解。

z模型的构建可以在MagNet, ElecNet或ThermNet中完成；用户可以定义一些参数作为OptiNet 的设计变量。

优化示意图：

运行OptiNet后，将根据初始模型的文件类型，自动启动所需要的有限元分析软件，MagNet, ElecNet 或者ThermNet。OptiNet由不同的页组成，用户在这些页面上可以定义优化条件及观察优化的过程和结果。

应用OptiNet可以对电磁阀的结构、线圈匝数等进行优化设计，得到更加合理的电磁铁模型。

3. Infolytica 软件在电磁铁中的应用实例

3.1 问题描述

模型为一电磁铁结构，包括三个绕组，两个动作部件，具体分为两个动作过程： 1、 首先，保持绕组通入125V直流电压，动作部件1靠近动作部件2的吸合过程；

2、 其次，在吸合过程结束后，提升绕组也通入125V直流电压，两个动作部件一起上升的提升过程。 在仿真过程中，考虑了弹簧阻力、水阻力、负载以及动作部件自身的重力。还对保持绕组和提升绕组电流方向的同异的两种情况分别作了分析。

采用Infolytica 公司的专业的磁场分析软件MagNet ，对模型进行仿真分析。

根据模型的动作过程，仿真方案确定如下：

1、吸合过程：保持绕组通入125V 直流电压，设置动作部件为负载驱动，负载考虑了保持弹簧的阻力、水阻力以及动作部件的重力，采用2D 瞬态运动求解器进行求解；

2、提升过程：根据吸合过程得到了保持绕组的稳态电流，然后保持绕组通入该稳态电流，提升绕组通入125V 直流电压，设置动作部件为负载驱动，负载考虑了提升弹簧的阻力、水阻力、负载以及动作部件自身的重力，并对保持绕组和提升绕组电流方向的同异的两种情况分别作了分析，采用2D 瞬态运动求解器进行仿真分析。

模型有新老两种结构，其线圈匝数不一样，新模型线圈匝数多，具体仿真工况如下：

保持绕组

提升绕组

动作部件1

动作部件2

模型有新老两种结构，具体仿真工况如左图（10种工况）；

其中，电流同向、反向表示保持绕组和提升绕组通电电流方向相同和相反。

3.2仿真结果 3.2.1 磁场分布

采用二维瞬态运动求解器对模型进行求解，以下是某一时刻老结构模型吸合过程中局部磁密云图分布。

图4-1老结构模型吸合过程有效值磁密云图分布（110.5ms ）

吸合过程

吸合过程

图4-2老结构模型吸合过程磁力线分布（110.5ms）

图4-3老结构模型吸合过程磁密矢量图（110.5ms）

3.2.2 新老模型吸合过程比较

Magnet具有强大的后处理功能，可以对模型的各种参数进行计算。例如对模型中运动部件的速度、位

移、加速度、电磁力等等。下面是老结构模型吸合过程基于时间的值。

图4-4 老结构模型吸合过程原始数据对新老结构模型吸合过程进行比较，具体如下：

图4-5 新老结构模型吸合过程比较

3.2.3新老模型提升过程比较

对新老模型在不同负载、电流方向不同的情况分别作了仿真，结果如下： 1、负载为

87kG

图4-6 老模型电流同向提升线圈电流 图4-7 老模型电流反向提升线圈电流

图4-8 新模型电流同向提升线圈电流 图4-9 新模型电流反向提升线圈电流

Old&same 表示老模型且保持线圈和提升线圈的电流方向一致，old&diff 表示老模型且保持线圈和提升线圈的电流方向相反，其他同理。

图4-10 新老结构模型提升负载87kG过程比较

2、负载为

150kG

图4-11 老模型电流同向提升线圈电流图4-12 老模型电流反向提升线圈电流

图4-13 新模型电流同向提升线圈电流图4-14 新模型电流反向提升线圈电流

图4-10 新老结构模型提升负载150kG过程比较