双向自保持电磁铁

1、1 电磁铁研制方案论证报告1.1 电磁铁结构组成电磁铁由固定衔铁、动衔铁组件和激励线圈组成，其中固定衔铁包括左固定衔铁1和右固定衔铁2，动衔铁组件包括内侧动衔铁3、外侧动衔铁4、永久磁铁5和动作杆6（轴），激励线圈包括由左内侧激励线圈7、右内侧激励线圈8组成的线圈组一和左外侧激励线圈9、右外侧激励线圈10组成的线圈组二。两个线圈组用于实现双余度。永久磁铁（由46块磁瓦拼接成的永磁环）径向充磁，动衔铁组件各部分固联在一起。1.2 工作原理1.2.1 激励线圈组无电流时的情况当线圈中没有电流通过时，动衔铁组件有两个稳定的平衡位置，一个是动衔铁组件位于左极限位置，另一个是动衔铁组件位于右极限位置。当

2、动衔铁组件位于左极限位置时，左磁路的磁阻很小而右磁路的磁阻很大，永久磁铁的发出磁通绝大部分通过左磁路，而只有很小一部分通过右磁路，因此动衔铁组件被牢固地吸持在左极限位置；当动衔铁位于右极限位置时，情况与上述相反，动衔铁组件被牢固地吸持在右极限位置。动衔铁组件还存在一个不稳定的平衡位置，即动衔铁组件位于行程的中立位置。这时左右气隙的距离相等，左右磁路的磁阻相等，磁通也相等，动衔铁组件受到左、右固定衔铁的吸力大小相等，方向相反，因此动衔铁组件处于平衡状态。但是这是一种不稳定平衡，只要气隙有微小变化，该平衡就将被破坏，从而回到左或者右极限位置。所以，动衔铁组件实际上只存在两个平衡位置，正因如此，这种

3、电磁铁又被称为双稳态电磁铁。当线圈中没有电流时，由永磁体提供的电磁力将动衔铁组件吸合在左极限位置或右极限位置。双稳态电磁铁的动衔铁在行程的两个极限位置上，不需要消耗任何能量即可保持。1.2.2 激励线圈组通有电流时的情况当给激励线圈通以直流电流时，电流便沿磁路 产生磁通，磁路包含了左、右工作气隙，由于永久磁铁在左、右工作气隙产生的磁通方向是相反的，因此通过其中一个工作气隙中的磁通增大，而通过另外一个工作气隙的磁通减小，动衔铁组件最终沿磁通增大的方向运动。（1）由左极限位置向右极限位置运动当动衔铁组件处于左极限位置时，将激励线圈中通以方向如图7的直流电流，该电流产生的磁力线方向与永久磁铁在固定衔

4、铁左端的磁力线方向相反，与永久磁铁在固定衔铁右端的磁力线方向相同，因此左磁路中的磁通减小，固定衔铁左磁极对动衔铁组件的吸力减小；右磁路中的磁通增加，固定衔铁右磁极对动衔铁组件的吸力增加。当电流增加到一定值时，动衔铁组件所受的合成吸力将使动衔铁组件向右运动。一旦动衔铁组件向右运动，动衔铁组件的左端与固定衔铁左磁极之间就出现了空气间隙，左端的磁阻开始增大，右端的磁阻开始减小。静铁心左磁极对动铁心的吸力越来越小，右磁极对动铁心的吸力越来越大，动铁心向右运动的合力越来越大，动铁心加速向右运动。这一过程一直持续到动铁心右端与静铁心的右磁极接触，运动过程结束，这时动铁心重新被永久磁铁吸合，处于稳定状态。当

5、切断激励线圈的电流时，动铁心的位置不会改变。（2）由右极限位置向左极限位置运动当极化电磁铁处于右极限位置时，给线圈中通以与上述方向相反的直流电流，该过程与上述过程相反，动铁心向左运动，一直持续到动铁心左端与静铁心的左磁极接触，运动过程结束。当切断控制线圈的电流时，动铁心被永久磁铁的作用牢靠吸持在左极限位置。由上述可知，极化电磁铁将电磁铁与永久磁铁相结合，由永久磁铁实现两个极限位置的保持功能，通过给控制线圈通正向电流或反向电流来提供能量，使动铁心从一个稳态过程过渡到另外一个稳态。切换过程结束后，又由永久磁铁实现位置保持功能。二 电磁铁数学仿真模型及设计计算报告2.1 磁性材料的选择固定衔铁和动衔

6、铁选用软磁材料铁钴合金1J22，该材料具有饱和磁感应强度高（达），居里点高（达）等优点。适合作重量轻，体积小，耐高温的航空及空间元件。永磁体选用稀土钕铁硼材料N48H，最大工作温度高（达），该材料具有剩余磁感应强度大（达），矫顽力大（达）等优点。2.2 通电电流和漆包圆线线径的选择电压：28±2.8VDC；电流：不大于5A；线圈绕组选用铜漆包圆线。左、右两侧的内线圈绕组所选取的漆包圆线导体的标称直径，I级漆膜厚度，因此漆包圆线最大外径。左、右两侧的内线圈绕组均绕12层。左、右两侧的外线圈绕组所选取的漆包圆线导体的标称直径，I级漆膜厚度，因此漆包圆线最大外径。左、右两侧的外线圈绕组均绕

7、12层。内绕组径向厚度为，外绕组径向厚度为。线圈支架内径为，内绕组外径=外绕组内径=，外绕组外径=。左外侧每层绕线数=匝，左内侧每层绕线数=匝；右外侧每层绕线数=匝，右内侧每层绕线数= 匝。左外线圈与右内线圈串联组成线圈绕组一；左内线圈与右外线圈串联组成线圈绕组二。绕组一： 左外线圈匝数匝 电阻 右内线圈匝数 绕组一总电阻，左外线圈的面积 右内线圈的面积 正常工作状态下电流 左外绕组的电流密度 右内绕组的电流密度电压最小时电流 左外绕组的电流密度右内绕组的电流密度绕组二： 右外线圈匝数匝 电阻 左内线圈匝数匝 绕组二总电阻，右外线圈的面积 左内线圈的面积 正常工作状态下电流 右外绕组的电流密度

8、 左内绕组的电流密度电压最小时电流 右外绕组的电流密度左内绕组的电流密度 2.3 仿真模型的建立工作行程：03.6±0.1mm；吸（推）力特性：总行程为3.6mm。防撞电磁铁工作方式：电磁铁正向通电时，顶杆伸出，断电后顶杆保持在伸出状态（右极限）；电磁铁反向通电时，顶杆收回，断电时顶杆保持在收回状态（左极限）。物理模型几何模型2.4 仿真结果与分析2.4.1 不通电稳定平衡位置的保持力先总结表2 稳定平衡位置的电磁力铁心位置通电状态左极限中间右极限不通电1645N力方向向左1648N力方向向右（1）左极限位置不通电状态下的情况（i）数学模型图1 左极限位置模型（ii）动衔铁组件的电磁

9、力（见附录1.1）（iii）电磁铁的磁感应强度分布图2 左极限位置的磁力线分布 图3 左极限位置的磁感应强度（2）右极限位置不通电状态下的情况（i）数学模型图4 右极限位置模型（ii）动衔铁组件的电磁力（见附录1.2）（iii）电磁铁的磁感应强度分布图5 右极限位置的磁力线分布图6 右极限位置的磁感应强度2.4.2 第一组线圈额定电压（28V）下的情况表1 电磁铁动衔铁组件受到的电磁力铁心位置通电状态左极限中间右极限不通电1645N力方向向左1648N力方向向右铁芯在左极限位置时，通正向电流333N力方向向右1017N力方向向右3257N力方向向右铁芯在右极限位置时，通反向电流3363N力方向

10、向左994N力方向向左332N力方向向左（1）通正向电流，动衔铁组件由左极限向右极限位置运动的情况（i）数学模型（a）左极限启动位置图7 左极限启动位置第一组线圈通正向电流模型（b）中间位置图8 中间位置第一组线圈通正向电流模型（c）右极限位置图9右极限位置第一组线圈通正向电流模型（ii）动衔铁组件的电磁力左极限启动位置（见附录2.1）中间位置（见附录2.2） 右极限位置（见附录2.3）（iii）电磁铁的磁力线分布（a）左极限启动位置图10 左极限启动位置磁力线分布（b）中间位置图11 中间位置磁力线分布（c）右极限位置图12 右极限位置磁力线分布（iiii）电磁铁的磁感应强度分布（a）左极限

11、启动位置图13 左极限启动位置磁感应强度（b）中间位置 图14 中间位置磁感应强度分布（c）右极限位置图15 右极限位置磁感应强度分布（2）通反向电流，动衔铁组件由右极限向左极限位置运动的情况（i）数学模型（a）左极限位置图16 左极限位置第一组线圈通反向电流模型（b）中间位置图17 中间位置第一组线圈通反向电流模型（c）右极限启动位置图18 右极限启动位置第一组线圈通反向电流模型 （ii）动衔铁组件的电磁力左极限位置（见图2.4）中间位置（见图2.5）右极限启动位置（见图2.6）（iii）电磁铁的磁力线分布（a）左极限位置 图19 左极限位置磁力线分布（b）中间位置图20 中间位置磁力线分布

12、（c）右极限启动位置图21 右极限启动位置磁力线分布（iiii）电磁铁的磁感应强度分布（a）左极限位置图22 左极限位置磁力线分布（b）中间位置 图23 中间位置磁感应强度分布（c）右极限启动位置图24 右极限启动位置磁感应强度图2.4.3 第一组线圈最低电压（25.2V）工作状态下的情况表1 电磁铁动衔铁组件受到的电磁力铁心位置通电状态左极限中间右极限不通电1645N力方向向左1648N力方向向右铁芯在左极限位置时，通正向电流203N力方向向右917N力方向向右3137N力方向向右铁芯在右极限位置时，通反向电流3219N力方向向左901N力方向向左203N力方向向左（1）通正向电流，动衔铁组

13、件由左极限向右极限位置运动的情况（i）数学模型（a）左极限启动位置（同图7） （b）中间位置（同图8） （c）右极限位置（同图9） （ii）动衔铁组件的电磁力左极限启动位置（见附录3.1）中间位置（见附录3.2） 右极限位置（见附录3.3）（iii）电磁铁的磁感应强度分布（a）左极限启动位置图25 左极限启动位置磁力线分布（b）中间位置图26 中间位置磁力线分布（c）右极限位置图27 右极限位置磁力线分布图（iiii）电磁铁的磁感应强度分布（a）左极限启动位置 图28 左极限启动位置磁感应强度分布（b）中间位置 图29 中间位置磁感应强度分布（c）右极限位置图30 右极限位置磁感应强度分布（2

14、）通反向电流，动衔铁组件由右极限向左极限位置运动的情况（i）数学模型（a）左极限位置（同图16） （b）中间位置（同图17）（c）右极限启动位置（同图18）（ii）动衔铁组件的电磁力左极限位置（见图3.4）中间位置（见图3.5）右极限启动位置（见图3.6）（iii）电磁铁的磁力线分布（a）左极限位置 图31 左极限位置磁力线分布（b）中间位置图32 中间位置磁力线分布（c）右极限启动位置图33 右极限启动位置磁力线分布（iiii）电磁铁的磁感应强度分布（a）左极限位置图34 左极限位置磁感应强度分布（b）中间位置 图35 中间位置磁感应强度分布（c）右极限启动位置图36 右极限启动位置磁感应强

15、度分布2.4.4 第二组线圈额定电压（28V）下的情况表1 电磁铁动衔铁组件受到的电磁力铁心位置通电状态左极限中立右极限不通电1645N力方向向左1648N力方向向右铁芯在左极限位置时，通正向电流340N力方向向右1023N力方向向右3340N力方向向右铁芯在右极限位置时，通反向电流3319N力方向向左1017N力方向向左362N力方向向左（1）通正向电流，动衔铁组件由左极限向右极限位置运动的情况（i）数学模型（a）左极限启动位置 图37 左极限位置第二组线圈通正向电流模型（b）中间位置图38 中间位置第二组线圈通正向电流模型（c）右极限位置图39 右极限位置第二组线圈通正向电流模型（ii）动

16、衔铁组件的电磁力左极限启动位置（见附录4.1）中间位置（见附录4.2） 右极限位置（见附录4.3） （iii）电磁铁的磁力线分布（a） 左极限启动位置图40 左极限启动位置磁力线分布（b）中间位置 图41 中间位置磁力线分布 （c）右极限位置图42 右极限位置磁力线分布（iiii）电磁铁的磁感应强度分布（a）左极限启动位置图43 左极限启动位置磁感应强度分布（b） 中间位置图44 中间位置磁感应强度分布（c）右极限位置图45 右极限位置磁感应强度分布（2）通反向电流，动衔铁组件由右极限向左极限位置运动的情况（i）数学模型（a）左极限位置 图46 左极限位置第二组线圈通反向电流模型 （b）中间位

17、置图47 中间位置第二组线圈通反向电流模型（c）右极限启动位置 图48 右极限位置第二组线圈通反向电流模型 （ii）动衔铁组件的电磁力左极限位置（见附录4.4）中间位置（见附录4.5） 右极限启动位置（见附录4.6）（iii）电磁铁的磁感应强度分布（a）左极限位置 图49 左极限位置磁力线分布（b）中间位置图50 中间位置磁力线分布（c）右极限启动位置图51 右极限位置磁力线分布（iiii）电磁铁的磁感应强度分布（a）左极限位置图52 左极限位置磁感应强度分布（b）中间位置图53 中间位置磁感应强度分布（c）右极限启动位置图54 右极限启动位置磁感应强度分布2.4.5 第二组线圈最低电压（25

18、.2V）工作状态下的情况表1 电磁铁动衔铁组件受到的电磁力铁心位置通电状态左极限中间右极限不通电1645N力方向向左1648N力方向向右铁芯在左极限位置时，通正向电流223N力方向向右924N力方向向右3213N力方向向右铁芯在右极限位置时，通反向电流3180N力方向向左927N力方向向左232N力方向向左（1）通正向电流，动衔铁组件由左极限向右极限位置运动的情况（i）数学模型（a）左极限启动位置 （同图37） （b）中间位置 （同图38）（c）右极限位置 （同图39）（ii）动衔铁组件的电磁力左极限启动位置（见附录5.1）中间位置（见附录5.2）右极限位置（见附录5.3）（iii）电磁铁的磁

19、感应强度分布（a）左极限启动位置图55 左极限位置磁力线分布（b）中间位置 图56 中间位置磁力线分布（c）右极限位置图57 右极限位置磁力线分布（iiii）电磁铁的磁感应强度分布（a）左极限启动位置图58 左极限启动位置磁感应强度分布（b）中间位置 图59 中间位置磁感应强度分布（c）右极限位置图60 右极限位置磁感应强度分布（2）通反向电流，动衔铁组件由右极限向左极限位置运动的情况（i）数学模型（a）左极限位置 （同图46） （b）中间位置 （同图47） （c）右极限启动位置 （同图48）（ii）动衔铁组件的电磁力左极限位置（见附录5.4）中间位置（见附录5.5）右极限启动位置（见附录5.

20、6）给出Ansys结果（iii）电磁铁的磁力线分布（a）左极限位置图61 左极限位置磁力线分布（b）中间位置图62 中间位置磁力线分布（c）右极限启动位置图63 右极限启动位置磁力线分布（iiii）电磁铁的磁感应强度分布（a）左极限位置图64 左极限位置磁感应强度分布（b）中间位置 图65 中间位置磁感应强度分布（c）右极限启动位置图66 右启动位置磁感应强度分布三 电磁铁可靠性预计报告（1）（2）（3）四 电磁铁工程化产品图样（经甲方会签）五 电磁铁研制及调试过程中重大技术问题的解决办法及改进措施六 电磁铁设计工作总结报告七 电磁铁技术及使用维护说明书八 电磁铁验收试验大纲（经甲方会签）附

21、录1.1 左极限位置保持力SUMMARY OF FORCES BY VIRTUAL WORK Load Step Number: 0. Substep Number: 1. Time: 0.2000E+01 Units of Force: ( N ) Component Force-Y ARM 0.16454E+04 _ SUMMARY OF FORCES BY MAXWELL STRESS TENSOR Units of Force: ( N ) Component Force-Y ARM 0.16454E+04 _ Note: Maxwell forces are in the Globa

22、l Cartesian coordinate system. Virtual work forces are in the element ESYS coordinate system. The forces correspond to a full 360 degree revolution of the cross section (an axisymmetric model). The following element table items are available for printing and plotting of the forces obtained by Virtua

23、l Work and the Maxwell Stress Tensor methods. Element Item Name Method Direction FVW_Y Virtual Work Y FMX_Y Maxwell Stress Y _ 1.2 右极限位置保持力 SUMMARY OF FORCES BY VIRTUAL WORK Load Step Number: 2. Substep Number: 1. Time: 0.2000E+01 Units of Force: ( N ) Component Force-Y ARM -0.16486E+04 _ SUMMARY OF

24、 FORCES BY MAXWELL STRESS TENSOR Units of Force: ( N ) Component Force-Y ARM -0.16467E+04 _ Note: Maxwell forces are in the Global Cartesian coordinate system. Virtual work forces are in the element ESYS coordinate system. The forces correspond to a full 360 degree revolution of the cross section (a

25、n axisymmetric model). The following element table items are available for printing and plotting of the forces obtained by Virtual Work and the Maxwell Stress Tensor methods. Element Item Name Method Direction FVW_Y Virtual Work Y FMX_Y Maxwell Stress Y _ 2.1 第一组线圈额定电压下通正向电流左极限位置SUMMARY OF FORCES BY

26、 VIRTUAL WORK Load Step Number: 2. Substep Number: 1. Time: 0.2000E+01 Units of Force: ( N ) Component Force-Y ARM -0.33339E+03 _ SUMMARY OF FORCES BY MAXWELL STRESS TENSOR Units of Force: ( N ) Component Force-Y ARM -0.33914E+03 _ Note: Maxwell forces are in the Global Cartesian coordinate system.

27、Virtual work forces are in the element ESYS coordinate system. The forces correspond to a full 360 degree revolution of the cross section (an axisymmetric model). The following element table items are available for printing and plotting of the forces obtained by Virtual Work and the Maxwell Stress T

28、ensor methods. Element Item Name Method Direction FVW_Y Virtual Work Y FMX_Y Maxwell Stress Y _2.2 第一组线圈额定电压下通正向电流中间位置SUMMARY OF FORCES BY VIRTUAL WORK Load Step Number: 2. Substep Number: 1. Time: 0.2000E+01 Units of Force: ( N ) Component Force-Y ARM -0.10168E+04 _ SUMMARY OF FORCES BY MAXWELL STR

29、ESS TENSOR Units of Force: ( N ) Component Force-Y ARM -0.10330E+04 _ Note: Maxwell forces are in the Global Cartesian coordinate system. Virtual work forces are in the element ESYS coordinate system. The forces correspond to a full 360 degree revolution of the cross section (an axisymmetric model).

30、 The following element table items are available for printing and plotting of the forces obtained by Virtual Work and the Maxwell Stress Tensor methods. Element Item Name Method Direction FVW_Y Virtual Work Y FMX_Y Maxwell Stress Y _ 2.3 第一组线圈额定电压通正向电流右极限位置 SUMMARY OF FORCES BY VIRTUAL WORK Load Ste

31、p Number: 2. Substep Number: 1. Time: 0.2000E+01 Units of Force: ( N ) Component Force-Y ARM -0.32571E+04 _ SUMMARY OF FORCES BY MAXWELL STRESS TENSOR Units of Force: ( N ) Component Force-Y ARM -0.32466E+04 _ Note: Maxwell forces are in the Global Cartesian coordinate system. Virtual work forces ar

32、e in the element ESYS coordinate system. The forces correspond to a full 360 degree revolution of the cross section (an axisymmetric model). The following element table items are available for printing and plotting of the forces obtained by Virtual Work and the Maxwell Stress Tensor methods. Element

33、 Item Name Method Direction FVW_Y Virtual Work Y FMX_Y Maxwell Stress Y _ 2.4 第一组线圈额定电压通反向电流左极限位置SUMMARY OF FORCES BY VIRTUAL WORK Load Step Number: 2. Substep Number: 1. Time: 0.2000E+01 Units of Force: ( N ) Component Force-Y ARM 0.33625E+04 _ SUMMARY OF FORCES BY MAXWELL STRESS TENSOR Units of Fo

34、rce: ( N ) Component Force-Y ARM 0.33590E+04 _ Note: Maxwell forces are in the Global Cartesian coordinate system. Virtual work forces are in the element ESYS coordinate system. The forces correspond to a full 360 degree revolution of the cross section (an axisymmetric model). The following element

35、table items are available for printing and plotting of the forces obtained by Virtual Work and the Maxwell Stress Tensor methods. Element Item Name Method Direction FVW_Y Virtual Work Y FMX_Y Maxwell Stress Y _ 2.5 第一组线圈额定电压通反向电流中间位置SUMMARY OF FORCES BY VIRTUAL WORK Load Step Number: 2. Substep Numb

36、er: 1. Time: 0.2000E+01 Units of Force: ( N ) Component Force-Y ARM 0.99447E+03 _ SUMMARY OF FORCES BY MAXWELL STRESS TENSOR Units of Force: ( N ) Component Force-Y ARM 0.10119E+04 _ Note: Maxwell forces are in the Global Cartesian coordinate system. Virtual work forces are in the element ESYS coord

37、inate system. The forces correspond to a full 360 degree revolution of the cross section (an axisymmetric model). The following element table items are available for printing and plotting of the forces obtained by Virtual Work and the Maxwell Stress Tensor methods. Element Item Name Method Direction

38、 FVW_Y Virtual Work Y FMX_Y Maxwell Stress Y _ 2.6 第一组线圈额定电压通反向电流右极限位置 SUMMARY OF FORCES BY VIRTUAL WORK Load Step Number: 2. Substep Number: 1. Time: 0.2000E+01 Units of Force: ( N ) Component Force-Y ARM 0.33174E+03 _ SUMMARY OF FORCES BY MAXWELL STRESS TENSOR Units of Force: ( N ) Component Force

39、-Y ARM 0.35301E+03 _ Note: Maxwell forces are in the Global Cartesian coordinate system. Virtual work forces are in the element ESYS coordinate system. The forces correspond to a full 360 degree revolution of the cross section (an axisymmetric model). The following element table items are available

40、for printing and plotting of the forces obtained by Virtual Work and the Maxwell Stress Tensor methods. Element Item Name Method Direction FVW_Y Virtual Work Y FMX_Y Maxwell Stress Y _ 3.1 第一组线圈最低电压下通正向电流左极限位置 SUMMARY OF FORCES BY VIRTUAL WORK Load Step Number: 2. Substep Number: 1. Time: 0.2000E+01 Units