电磁铁的仿真模型

电磁铁的仿真模型

0磁浮列车的工作原理电磁铁是电气后对铁磁物的吸力，电磁能可以转化为机械能的装置。其应用范围极广,许多自动化电器和自控、遥控中操纵各种气阀、油阀的电磁阀,都以电磁机构为主体构成的。磁浮列车的工作原理也是利用了电磁铁。传统的轮轨列车都必须施加垂、横向约束才能沿轨道方向行驶,轮轨列车靠轮沿实现垂、横向约束,而磁浮列车则靠电磁力来约束,即磁浮列车的悬浮与导向。由于电磁铁大部分时间都工作在瞬态特性下,故对其瞬态特性的分析尤为重要。本文分析了导向磁铁的2种结构形式的数学模型,并对其瞬态特性用Matlab/Simulink功能进行建模仿真,从而为电磁铁控制系统的仿真研究提供了一种性能可靠、使用方便的仿真模型。1磁路分析：电磁铁1.1结构形式的瞬态特性磁浮列车的导向电磁铁可以有两种结构形式,如图1所示。为了更好地对两种电磁铁结构形式的瞬态特性进行比较,在此,假设它们的主要尺寸是相同的,如图2所示。等效电路图如图3所示。1.2u型电磁铁的磁阻一般情况下,电磁铁的工作气隙都很小(通常为毫米级),故可用磁路分析法对磁铁进行参数计算:磁阻其中,设a=e,b=f,c=h。U型电磁铁的总磁阻Ⅲ型电磁铁的总磁阻其中:Rg(x),Rg1(x),Rg0(x)为气隙磁阻(1/H);x为动铁的位移(m);Rm,Rm1,Rm0为铁芯磁阻(1/H);F为激磁线圈的磁动势(A),F=Ni;N为激磁线圈的匝数;i为线圈中的电流(A);g为初始气隙长度。不考虑磁饱和现象时,电磁铁的电感为:表明电感L(x)是动铁位移x的函数。2电磁铁的瞬态特性分析2.1动铁抗压强度的计算电磁铁的电压方程:磁链方程:运动电压方程:机械运动方程:电磁力计算公式:式中u(t)——加到电磁铁两端的电压(V)v——动铁的运动速度(m/s)R——线圈的电阻(Ω)m——动铁的质量(kg)f——负载(N)2.2基于sim保险的电磁铁系统模型Simulink是Matlab的动态仿真库,与用户的接口是基于Windows的图形编程方法。Simulink有许多分类的系统工具箱,用户只需将所要用的方块图从打开的库中拖到工作空间即可。用户也可将自定义的方框图放入某一库中保存起来备用。基于建好的数学模型,利用Simulink可方便地建立电磁铁电压、磁链、运动电压、机械运动和电磁力的仿真模型,如图4～8所示,形成5个系统模块。把上述5个子系统模块对应的输入、输出端口连接并封装起来,就可形成整个电磁铁系统仿真模型,如图9所示。为了输入参数方便,可以把电磁铁的参数写入一个M文件,在仿真时,先运行M文件,然后仿真电磁铁系统,这样使得整个仿真系统快捷、方便。3电源电压t的影响由以上分析可见,当激磁电流和匝数相同的情况下,U型和Ⅲ型的电感参数L(x)是不同的,但数学模型是一样的。所以在仿真时,它们的参数赋值的M文件是不同的,但Simulink模型都一样。其中,a=0.1m,b=0.2m,c=0.7m,g=0.02m,N=100匝,R=1Ω,f=5N,m=1kg。当t=0s时,磁铁加上电源电压U=10V;当t=0.02s时,磁铁断开电源电压,则仿真结果如图10～15所示。由仿真曲线可以看出,U型电磁铁和Ⅲ型电磁铁的瞬态特性十分相似:(1)当线圈接入电源电压U之后,其中的电流就从零值逐渐增长。由于任何线圈中不仅有电阻,且还有一定的电感,故电流的上升不能立即达到稳定值,而是按指数曲线的规律逐渐上升。(2)由于阻力的存在,当磁铁刚加上电源电压时,动铁并没有开始运动。随着电流的增大,增大到一定数值时,磁通也相应地增长到一定值,电磁铁所产生的电磁吸力使动铁开始运动。(3)当t=0.02s时,电磁铁断开电源电压,电流和电磁力迅速减小,直至为零。(4)当t=0.02s时,电磁铁的电流达到最大值,但它的运动速度未达到最大,而是持续增加;随着电磁力的不断减小,动铁运动速度开始下降,直至为零,这时,位移保持不变,相应磁铁的电感也保持不变。U型、Ⅲ型电磁铁的不同之处:(1)U型电磁铁的电磁力的最大值比Ⅲ型电磁铁的小,最大电流比Ⅲ型电磁铁的大;(2)在这段时间内的位移和最大速度也比Ⅲ型电磁铁的小;(3)Ⅲ型电磁铁的电感参数比U型电磁铁的大。4瞬态特性分析本文给出了磁浮列车导向电磁铁的两种结构形式的结构以及等效磁路,并用磁路分析法对其进行参数计算,最后用Matlab/Simu