結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式有很多，但工作原理基本相同。典型的電磁作動(dòng)器包含一個(gè)繞制在鐵極片的多匝線圈和一個(gè)可移動(dòng)的銜鐵。另外，如外殼框架的鐵心部分，為磁通提供閉合回路，圖1展示了框架、磁極片、線圈和銜鐵的幾何結(jié)構(gòu)。

圖1三維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)典型電磁作動(dòng)器視圖

圖2顯示了作動(dòng)器在電壓源激勵(lì)條件下的瞬態(tài)磁通密度云圖。在線圈電流快速上升期間，磁通還沒(méi)有來(lái)得及擴(kuò)散到作動(dòng)器的整個(gè)磁路前，集中分布在作動(dòng)器的內(nèi)表面上，這也延遲了銜鐵力場(chǎng)的建立時(shí)間，從而延遲了閉合時(shí)間。類似道理，當(dāng)外加電壓源關(guān)斷后從設(shè)備上撤銷磁場(chǎng)時(shí)，由于殘磁的存在也會(huì)延遲作動(dòng)器銜鐵的重新打開(kāi)時(shí)間。圖2中插圖顯示了考慮電渦流后局部磁場(chǎng)擴(kuò)散過(guò)程，隨著時(shí)間推進(jìn)，磁場(chǎng)穿過(guò)設(shè)備壁厚，銜鐵受力增加，最后，一旦受力克服了彈簧和負(fù)載反作用力后銜鐵閉合。

圖2 瞬態(tài)仿真0.001S后的磁密圖

靜態(tài)和瞬態(tài)仿真分析

       Maxwell的靜態(tài)或者瞬態(tài)求解器可以完成作動(dòng)器二維和三維電磁場(chǎng)分析。通常，在靜態(tài)仿真中把線圈的形狀系數(shù)、匝數(shù)和線徑以及幾何尺寸等參數(shù)設(shè)為參數(shù)化/優(yōu)化變量，改變線圈電流和銜鐵位置值而輸出一組反映力和位置的曲線。由于Maxwell使用了自動(dòng)自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，從而使變量的參數(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(jī)械全面條件下銜鐵到達(dá)閉合位置的速度問(wèn)題。本文給出了一個(gè)強(qiáng)有力的仿真案例：外加激勵(lì)電壓源為任意波形（或者使用Maxwell自帶的circuit editor工具），同時(shí)考慮材料的非線性，考慮機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程（包含了阻尼、負(fù)載力，而且它們都可以是關(guān)于位置、速度或者時(shí)間的函數(shù)），考慮電渦流和磁擴(kuò)散，其仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3采用Maxwell自帶的外電路編輯器實(shí)現(xiàn)斬波電流激勵(lì)瞬態(tài)仿真結(jié)果給出了位置波形、線圈電流和二極管電流波形。

系統(tǒng)仿真

ANSYS Twin Builder是功能強(qiáng)大的多域機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析軟件，用于電氣、電磁、電力電子、控制等機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)、仿真分析和優(yōu)化。Twin Builder提供了多種建模語(yǔ)言，包括電路、方框圖、狀態(tài)機(jī)、方程、VHDL-AMS、SML以及C/C++等標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言。這些語(yǔ)言可混合使用，輕松建立模擬、數(shù)字和混合信號(hào)的多域設(shè)計(jì)模型。

對(duì)于需要高精度建模的系統(tǒng)組件，Twin Builder能夠直接和業(yè)界領(lǐng)先的ANSYS電磁場(chǎng)仿真工具動(dòng)態(tài)鏈接，包括：Maxwell，Q3D Extractor，RMxprtTM，PExprtTM，ANSYS Icepak和ANSYS MechanicalTM等。這種協(xié)同仿真技術(shù)和模型降階技術(shù)讓Twin Builder具有強(qiáng)大的基于物理原型的系統(tǒng)仿真能力。

在本作動(dòng)器案例中，若需要更具體的電子電路模型，Twin Builder可以與Maxwell協(xié)同仿真（在Maxwell中考慮了材料的非線性、電渦流和磁擴(kuò)散），或者使用等效電路模型（等效電路是作動(dòng)器位置和電流參數(shù)化掃描優(yōu)化結(jié)果，同時(shí)忽略了線圈的渦流效應(yīng)）。圖4展示Twin Builder平臺(tái)下多物理域部件無(wú)縫集成的協(xié)同仿真系統(tǒng)：設(shè)備級(jí)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(dòng)器模型、以及機(jī)械或者液壓負(fù)載等。驅(qū)動(dòng)電路與Maxwell有限元模型瞬態(tài)鏈接實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真；機(jī)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4：Simplorer平臺(tái)下作動(dòng)器系統(tǒng)級(jí)仿真

左圖為線圈電流、電壓隨銜鐵位置變化的曲線；右圖為銜鐵受力對(duì)時(shí)間的波形

電磁-熱仿真

       一旦在電磁場(chǎng)仿真分析中得到時(shí)域下的線圈和鐵芯損耗，就可以通過(guò)ANSYN WB環(huán)境映射到ANSYS Mechanical或者ANSYS CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）中做熱分析，如圖5所示。一，電磁場(chǎng)分析得到的總損耗空間分布映射到ANSYS CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）熱模型中，CFD軟件能夠精確計(jì)算復(fù)雜散熱環(huán)境，包括對(duì)流和傳熱，直接計(jì)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重新計(jì)算損耗，如此雙向耦合反復(fù)迭代，得到作動(dòng)器線圈和鐵芯等部件穩(wěn)態(tài)溫度。二，也可以在溫度場(chǎng)計(jì)算中采用簡(jiǎn)單設(shè)置，即在Mechanical中直接定義傳熱系數(shù)，或者此傳熱系數(shù)由CFD軟件計(jì)算得到，再通過(guò)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(dòng)器的穩(wěn)態(tài)溫度，此流程的仿真計(jì)算速度要比在CFD中直接計(jì)算溫升快。 

圖5：ANSYS WB可直接映射電磁損耗到靜態(tài)Mechanical或者動(dòng)態(tài)CFD熱模型中，實(shí)現(xiàn)電磁、熱雙向耦合分析

總結(jié)

       ANSYS集成化設(shè)計(jì)平臺(tái)，提供了電磁作動(dòng)器電磁場(chǎng)有限元精確分析和設(shè)計(jì)工具，既能完成作動(dòng)器本體靜態(tài)、瞬態(tài)磁場(chǎng)分析，也能完成熱場(chǎng)、電路和系統(tǒng)分析。可以幫助公司便捷、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成的一體化作動(dòng)器設(shè)計(jì)流程，通過(guò)高精度仿真，最大限度的減少制作樣機(jī)次數(shù)，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，有利于公司在激烈競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。