作動器，或者叫螺線管，有時候也稱為制動器、電磁閥、電磁鐵等，是一種通過通電產(chǎn)生磁場來控制銜鐵實現(xiàn)理想力矩和位移的設備。銜鐵為鐵磁物質(zhì)，受到磁場作用后，產(chǎn)生吸力并把電能轉(zhuǎn)化成機械能，用于對負載的速度、方向、位移、力進行控制。

 

作動器的應用領域很廣，如燃料噴射器（油閥的電磁閥）、電能分配器（斷流器、斷路器、繼電器、接觸器等）、各種汽車、液壓工業(yè)應用等。

 

安世亞太針對作動器電磁分析和性能優(yōu)化、溫升與形變、結構應力分析、控制系統(tǒng)集成等設計需求，提供電磁、結構、流體、控制等多物理集成化設計解決方案，全面解決作動器的設計問題。

 

 

一、電磁分析及優(yōu)化設計

 

ANSYS Maxwell的靜態(tài)或者瞬態(tài)求解器可以完成作動器二維和三維電磁場分析。通常情況下，在靜態(tài)仿真中把線圈的形狀、匝數(shù)和線徑以及幾何尺寸等參數(shù)設為參數(shù)化變量，改變線圈電流和銜鐵位置而輸出一組反映力和位置的曲線。由于Maxwell使用了自動自適應網(wǎng)格剖分技術，變量的參數(shù)化/優(yōu)化掃描變得非常的容易。

 

除了靜態(tài)方法以外，使用Maxwell瞬態(tài)求解器，可以仿真在考慮了電氣控制和機械負載的條件下，銜鐵到達閉合位置的速度問題。例如：外加激勵電壓源為任意波形（或者使用Maxwell自帶的circuit editor工具），同時考慮材料的非線性，考慮機械的運動方程（包含了阻尼、負載力，而且它們都可以是關于位置、速度或者時間的函數(shù)），考慮電渦流和磁擴散，其仿真結果如下圖所示。

 

圖：采用Maxwell自帶的外電路編輯器實現(xiàn)斬波電流激勵瞬態(tài)仿真結果：位置波形、線圈電流和二極管電流波形

 

圖：基于瞬態(tài)電磁分析優(yōu)選滿足負載力要求的設計方案

 

圖：基于瞬態(tài)電磁分析優(yōu)選滿足閉合時間要求的設計方案

 

二、電磁、熱耦合分析

 

Maxwell瞬態(tài)電磁場仿真分析得到的線圈和鐵芯損耗，可通過ANSYS Workbench環(huán)境映射到ANSYS Mechanical或者ANSYS CFD（計算流體動力學）軟件Fluent中做熱分析。其耦合方式包括：電磁場分析得到的總損耗空間分布映射到Fluent熱模型，通過精確考慮復雜散熱環(huán)境，包括對流和傳導，直接計算各部件的溫升，并將溫度數(shù)據(jù)反饋回Maxwell中修改材料的溫度屬性，而后重新計算損耗，如此雙向耦合反復迭代，得到作動器線圈和鐵芯等部件穩(wěn)態(tài)溫度；在Mechanical溫度場計算中采用簡單設置，即直接定義傳熱系數(shù)，或者此傳熱系數(shù)由Fluent計算得到，再通過電磁-熱瞬態(tài)熱性能和熱循環(huán)分析迭代多次后，得到作動器的穩(wěn)態(tài)溫度，此流程的仿真計算速度要比在Fluent中直接計算溫升快，且仿真精度大大提高。

 

圖：Maxwell和Mechanical電磁-熱雙向耦合溫度分布（簡單設置的換熱系數(shù) VS Fluent計算的換熱系數(shù)）

 

三、系統(tǒng)設計

 

作動器設計除了需要精確考慮其電磁和多物理域耦合特性外，還需要考慮其供電和控制電路集成。ANSYS Twin Builder（以前稱ANSYS Simplorer）既可以實現(xiàn)行為級作動系統(tǒng)設計，快速分析其性能；也可以通過與Maxwell協(xié)同仿真（考慮材料的非線性、電渦流和磁擴散等效應），或者通過降價模型（僅考慮作動器位置和電流參數(shù)化掃描關系，忽略線圈的渦流效應）接口，實現(xiàn)高精度物理原型級作動系統(tǒng)設計，精確分析其性能。下圖展示Twin Builder平臺多層次建模功能以及高精度作動系統(tǒng)設計模型：設備級的電力電子器件、閉環(huán)控制系統(tǒng)、精確的二維或者三維作動器模型、以及機械或者液壓負載等；驅(qū)動電路與Maxwell有限元模型瞬態(tài)鏈接實現(xiàn)協(xié)同仿真；機械管腳直接連接定義重量、力、彈簧和停止位限制的裝置等。

 

圖：Twin Builder行為級模型可替換為高精度物理模型

 

圖：Twin Builder與Maxwell、Fluent協(xié)同仿真實現(xiàn)高精度作動系統(tǒng)設計

 

安世亞太作動器設計解決方案既提供了電磁場有限元分析和優(yōu)化設計工具，能實現(xiàn)作動器靜態(tài)、瞬態(tài)磁場分析和性能優(yōu)化；也提供了靜態(tài)熱和瞬態(tài)流體熱分析工具，能夠?qū)崿F(xiàn)電磁-熱雙向耦合分析；還提供了電路和系統(tǒng)設計工具，能夠?qū)崿F(xiàn)從行為級到物理原型級，多層次、高精度作動系統(tǒng)設計，可以幫助用戶高效實現(xiàn)無縫集成的作動器多物理域集成化設計流程，通過高精度仿真，最大限度的減少制作樣機次數(shù)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，有利于用戶在激烈競爭中脫穎而出。