基于ansof的电磁铁及电磁阀仿真模型

基于ansof的电磁铁及电磁阀仿真模型

0系统仿真及分析优势随着电子技术、计算机科学和计算机科学的快速发展，电子液体控制技术可以实现各种复杂的控制。具有高可靠性的电磁阀由于其在价格上的优势,广泛应用在智能控制、无线控制等领域。电磁铁作为电磁阀的电液转换执行器,其动静态性能直接影响电磁阀的性能,如何合理简便地设计出满足性能要求的电磁铁,是设计人员需要解决的首要问题。早期的电磁铁设计主要是通过大量的试验测试来完成,耗费较大的资源,研发周期也较长。随着仿真技术的日渐成熟,各类专业仿真软件已经成为公司研发产品、缩短产品研发周期必不可少的分析设计软件。但各仿真软件都有一定的应用范围,同时各专业仿真软件的侧重点也不同。电磁仿真软件Ansoft和系统仿真软件AMESim,二者在电磁铁设计上的功能结构不同,但却具有很强的互补性。AMESim能够根据电磁铁的结构参数便捷地构建整个电磁铁乃至整个电磁阀的仿真模型,但其电磁铁模型基于磁路理论构建,准确性降低;而Ansoft是基于物理原型的有限元建模分析,在电磁方面能够提供比较准确的电磁仿真结果,但系统分析能力不强,不能进行强耦合分析。笔者综合两仿真软件的分析优势,将Ansoft的电磁铁分析仿真结果编成AMESim系统仿真时可调用的数据表格,对整个电磁阀进行建模分析,来获得电磁铁的动态响应结果。由于综合了两仿真软件的优点,使得仿真数据更为准确,因而对设计人员改进电磁铁的性能,能够起到一定的指导作用。1通电磁阀的结构笔者研究的电磁阀是液压支架上比较常用的电液控制基本元件,该阀为开关电磁铁驱动的二位三通电磁阀,其结构如图1所示。当输入控制电压信号后,电磁铁得电,电磁铁输出电磁力经缓冲器后推动阀芯运动,使阀口打开同时关闭回油口T,液压油进入负载口A;当切断电压信号后,电磁铁失电,在复位弹簧的作用下,使阀口关闭的同时打开回流口T。其主要结构如图1所示。1.1磁极模型1.1.1源电压v、回路电阻、磁路磁链wbU=IR+dΦ/dt(1)式中:U、I、R、Φ分别为电源电压(V)、线圈中电流(A)、回路电阻(Ω)、磁路磁链(Wb)。式(1)中Φ是电流I和行程x的函数,可表示为Φ=φ(N,I,x)(2)式中:N为线圈匝数。1.1.2t1+ffx+ff式F=m(d2x/dt2)+Ff(x)+Ff(dx/dt)(3)F=m(d2x/dt2)+Ff(x)+Ff(dx/dt)(3)式中:m为电磁铁衔铁所带动的运动部分质量(kg);x为电磁铁衔铁的行程(m);F为电磁铁输出力(N);Ff(x),Ff(dx/dt)Ff(dx/dt)分别为与运动部分的位移和速度有关的反作用力(N)。1.1.3确定电磁铁吸力为与气隙、安动力数相关的函数电磁输出力是电流I和行程x的函数,其方程为F=f(I,x)(4)综上分析,由式(2)、(4)可知电磁铁吸力是气隙、电流及电感的函数:F=g(I,x,N)(5)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。1.1.4磁极模型在Ansoft建立电磁铁求解模型,如图2所示,在求解器中定义气隙及安匝数进行变参分析,并选择电磁力及电感作为求解对象。1.2创建数据文件通过Ansoft的静态计算后,可得到相对于衔铁气隙和安匝数变化的结果,再把得到关于电流及气隙的电磁力及电感的有关数据,按照AMESim2D数据表格式创建数据文件,完成电磁铁在AMESim仿真的数据准备。数据文件三维曲线如图3、4所示。通过Ansoft变参分析得到了电磁输出力、电感与安匝数、气隙关系的数据表,通过AMESim电磁模块EMLT40子模型把所得到的相关数据读入电磁阀仿真模型,创建完整的电磁阀仿真模型,实现电磁回路、机械部件和液压系统之间的耦合,模型如图5所示。2电磁铁阀芯运动变化曲线电磁阀的仿真参数如表1所示。在0.01s时给电磁铁输入一阶跃电压信号,研究电磁铁及整个电磁阀动态变化特性。图6是电磁铁电流与时间关系变化曲线,图7是电磁力与时间关系变化曲线,图8是电磁铁阀芯运动变化曲线。从图6—8可以看出:(1)在输入阶跃电压后,电磁铁电流是随着时间变化呈非线性变化。当衔铁移动时,随着磁阻变小,线圈电感增大,产生阻碍电流变化的感应电动势,线圈电流变化率变小。当衔铁移动结束(图6中点A),即电磁阀打开到位,线圈电感不再发生变化,此时电流按新的时间常数继续增大。(2)电磁铁输入电压信号后,经过0.03s才克服负载反力,推动阀芯开始运动,经过0.086s后阀芯完全打开。(3)电磁铁输出力随着时间的增加而增大,直到0.17s才达到电磁铁最大输出力61.96N。3电磁阀模型的建立笔者通过有限元软件Ansoft及系统仿真软件AMES