直流电磁铁磁场和牵引力的数值模拟

式中
K #$&
)56’7+ 034
102-.-./
LM
LM,, 气隙横截面环形面积
)55+
N 有限元计算及分析
N8O 网格划分 本 文 分 析 的 电 磁 铁 是 轴 对 称 结 构!在 轴 向 和 径
向 没 有 电 流!只 沿 周 向 PQR面 的 法 线 方 向!即 M向 有 直 流 电 流"它 满 足 于 二 维 单 元 的 STU 分 析 条 件!因 此!可以沿通过电 磁 铁 轴 线 的 平 面 剖 开 并 取 其 一 半 为研究对象"采用 0V静态模型来模拟电磁场"
$>%&F?LN ’rW0sxtva]XWs)4asZWvas[0arvtwWr)T[X[sWWrWvWXsvWsZtw)’rW0sxtva]XWs[0 u[Wrw
引言
有限元分析技术在多点成形领域中的应用对其 发展和完善起到重要的推动作用*无论是对大型板 类 件三维曲面多 点 成 形 过 程 的 有 限 元 模 拟)还 是 对 多 点 成形机的整 体 乃 至 各 关 键 部 件 的 结 构 优 化+工 作 过 程的模拟+动 态 力 的 分 析 等 都 起 到 了 很 重 要 的 作用*尤其对一些用传统方法无法获得解析解的问 题)用有限元法 较 容 易 得 到 精 度 很 高 且 满 足 工 程 实
S00 时间
R1 [[4M 式中 [400 真空磁导率
[00 相对磁导率 传导电流密度可以表示为
$’% $-% $/%
$J%
N1 \$OV ]L R% 式中 \00 电导率
$2%
]00 运动速度
对 式 $’%^ $2%经 过 整 理 可 得
!-RP[[4 QQRS1[[4\!L$]LR%
$K%
令 式 $K%右 端 项 为
键 的 方 程 式 "不 论 什 么 结 构 型 式 的 电 磁 铁 !它 首 先 应 当保证在其打开 位 置 上 有 足 够 大 的 电 磁 吸 力!以 迫
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农业机械学报
044Z年
使 衔 铁 克 服 弹 簧 反 力 作 机 械 运 动 !完 成 预 定 的 任 务 "
当衔铁处于打开位置时!此时的电磁吸力 #$应当大 于该位置上的弹簧反力 #%!即
邓玉山 万吉方林大数学据辊锻工艺研究所 工程师
第 -期
付文智 等)直流电磁铁磁场和牵引力的数值模拟
’4’
行 元 件动 作!以 实 现 自 动 控 制 的 目 的" 它 作 功 的 大 小!取决于动作过 程 中 需 要 克 服 的 反 力 及 其 动 作 行 程 "电 磁 铁 设 计 的 任 务 !就 是 在 给 定 的 空 间 和 电 磁 铁 吸 力 要 求 下 !确 定 电 磁 铁 的 外 形 #轭 铁 #铁 芯 $包 括 衔 铁 %及 线 圈 $激 磁 电 流 大 小 %等 参 数 "
在 电 工 设 备 的 设 计 与 研 究 中!作 用 于 载 流 导 体 和磁质上磁力的计算始终是电磁场分析的重要课
题"磁场分析的最终结果都是估算出电磁铁所产生 的机械力和它随着激磁或位置的改变而引起的变
化 "磁 系 统 中 电 磁 力 的 实 际 值 可 以 用 几 种 方 法 求 出 " 电磁吸力方程式是决定电磁铁尺寸参数的最关
直 流 电 磁 铁 的 结 构 类 型 很 多!主 要 有 螺 管 式 和 拍合式两大类"其选择主要是根据吸力特性和反力 特 性 之间的配合!或 者 根 据 对 电 磁 铁 的 运 动 技 术 要 求 来 选 择 " 一 般 来 说 !反 力 特 性 较 平 坦 的 #需 要 作 直 线 运 动的以及行 程 较 大 的 电 磁 铁!应 当 选 择 螺 管 式 结 构6而反 力 特 性 较 陡 峭 的#需 要 作 转 动 的 电 磁 铁! 则应选择拍合式结构"
多 点 成 形 机 上 用 的 牵 引 电 磁 铁!要 求 在 初 始 位 置 有 很大的吸力!以 克 服 机 械 手 与 基 本 体 之 间 的 摩 擦 力 和弹簧的复位力 $有 时 包 括 电 磁 铁 的 重 力%6还 要 求 行 程 较 大 !动 铁 芯 启 动 至 吸 合 后 !电 磁 铁 需 保 持 一 段 时 间 !以 便 机 械 手 调 整 冲 头 高 度 "
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通 常!作 为 电 磁 铁 设 计 依 据 的 主 要 设 计 参 数 和 工作参数 有 &’( )
$’%额定工作行程 *+"即衔铁的工作气隙"对于 拍 合 式 电 磁 铁 !*+应 为 平 均 气 隙 长 度 $主 要 工 作 气 隙 处%!或以额定旋转角度 ,+表示"
$-%额定工作行程下的电磁吸力 .+"这是为保 证 衔 铁能够克服 反 力!从 初 始 位 置 上 起 动 所 必 需 的 电磁吸力"
)54+
式中 ’7,, 螺管力系数!一般取 485948:
12,, 气隙端面磁感应强度
图 0 图 5中 ; ;剖面积分示意图 <=>?0 @ABC>D(EFGCB$HIA;J; FC$B=IA=A<=>?5
-5,, 动铁芯外半径 -0,, 传动轴半径 -,, 积分处半径 /,, 积分处与坐标轴夹角
式 )54+在 气 隙 横 截 面 上 积 分 得
$/%弹 簧 反 力 特 性 "即 弹 簧 反 力 与 行 程 的 关 系 ! 一 般 它应处于吸 力 特 性 的 下 方!这 是 衔 铁 起 动 后 能 够一直运动到它与铁芯完全接触0闭合的保证"
多点成形机使用的电磁铁为直流电磁铁"技术 要 求)在 额 定 行 程 *+1 ’233 时!它 的 吸 力 不 应 小 于 -456吸合后保持一定时间6额定电压为247!作 为牵引电磁铁使用" 89: 电磁铁结构
根 据 工 作 要 求!选 择 了 螺 管 式 圆 锥 形 的 衔 铁 头 $中间有传动轴通过%结构!具体结构如图 ’所示"图
图 ’ 电磁铁结构示意图 ;<=>’ ?@AB+@BACDECFC+@AD3G=HC@<+I
’>万衔铁方数->非据工作气隙 />轭铁 J>激磁线圈
2>传动轴 K>工作气隙
中 *为电磁铁的工作行程"
数 学 模 型 )并 用 有 限 元 法 对 电 磁 铁 进 行 了 求 解 *得 到 电 磁 场 的 等 磁 位 线 +磁 通 密 度 等 参 数 的 分 布 规 律 及 动 铁 芯 的 吸
力 与行程的关系*与实际测试的吸力基本吻合)相对误差为 #,-.*为电磁铁的设计和安装过程中控制牵引力提供
了理论依据)即控制了工作气隙 /0)也就等于控制了牵引力 10*
!""#年 !月
农业机械学报
第 $%卷 第 !期
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直流电磁铁磁场和牵引力的数值模拟&
付文智 李明哲 邓玉山
’摘要( 从工程应用的观点出发)阐述有 限 元 法 在 电 磁 场 数 值 分 析 中 的 应 用*首 先 建 立 直 流 螺 管 式 电 磁 铁 的
h,, 线 圈 厚 度 )设
计参数+ f,, 线 圈 填 充 系
数
图 T 电磁铁网格划分 <=>?T ‘CFHa(DB=B=IAC.
c,, 线圈匝数
=ACEC$BDI[(>ACB=$F
收稿日期2!""$ "% "! & 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 b项 目 编 号 2#"!(#"%$n和 )十 五 *国 家 科 技 攻 关 计 划 资 助 项 目 b项 目 编 号 2!""5+:!"$+55n 付文智 吉林大学辊锻工艺研究所 副教授)5$""!# 长春市 李明哲 吉林大学辊锻工艺研究所 教授 博士生导师