CN103678768A - 一种基于有限元分析的电磁铁磁场仿真方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于有限元分析的电磁铁磁场仿真方法，包括步骤（1）在三维建模工具中对电磁铁进行建模，（2）根据电磁铁不同面域确定电磁铁模型各部分的材料属性，（3）采用四边形单元对电磁铁模型的各面域进行网格划分；（4）在电磁铁的线圈上加载电流密度，（5）在电磁铁外围节点施加磁力线平行条件；（6）在仿真工具中对该电磁铁模型进行仿真，求解其电磁力；（7）将网格加密，再次仿真，直至获得网格无关解；（8）将结果与实际实验数据进行比对，以确定仿真数据的有效性。本发明解决了电磁力工程计算方法中不能考虑磁性材料非线性特性的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于有限元方法的电磁铁磁场仿真方法，可以用于电磁铁电磁场的精确计算。
背景技术
为实现高度自动化发射的目的，新型运载火箭增压输送系统中在控制，吹除，隔离，增压等阀门中均有电磁阀使用。电磁阀通过通电螺线管产生磁力来改变阀门启闭状态，其中电磁铁的设计是电磁阀设计的重要环节，其中校核电磁铁的吸力是电磁铁设计的核心任务。根据电磁铁一般研制流程，涉及电磁铁的主要结构尺寸通常要等原理样机生产之后才根据性能确定，大大影响产品研制周期，同时因试验条件限制较难获得小气隙小电流情况下电磁力数据，因此开展电磁阀电磁力仿真分析对降低产品研制周期，提高产品可靠性有着重要意义。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于有限元分析的电磁铁磁场仿真方法，实现了电磁铁磁场的精确计算，克服了解决了电磁力工程计算方法中不能考虑磁性材料非线性特性的问题，在很大程度上降低电磁阀研制周期，提高产品可靠性。
本发明的技术解决方案是：
一种基于有限元分析的电磁铁磁场仿真方法，步骤如下：
（1）在三维建模工具中对电磁铁进行建模，电磁铁模型被划分为5个面域，面域A1为挡铁部分，面域A2为上盖、电磁铁外壳和导磁环部分，面域A3为线圈部分，面域A4为衔铁部分，面域A5为套环、衔铁和线圈周围空气；
（2）根据电磁铁不同面域确定电磁铁模型各部分的材料属性，非磁性材料的相对磁导率为1，磁性材料的磁导率根据其B-H曲线设置；
（3）采用四边形单元对电磁铁模型的各面域进行网格划分；
（4）在电磁铁的线圈上加载电流密度，电流密度为线圈区域截面的总电流除以线圈所在矩形区域面积；
（5）在电磁铁外围节点施加磁力线平行条件；
（6）在仿真工具中对该电磁铁模型进行仿真，求解其电磁力；
（7）将网格加密，重复执行步骤（3）～（6），直至获得网格无关解；
（8）将步骤（7）中结果与实际实验数据进行比对，以确定仿真数据的有效性。
所述三维建模工具为AutoCAD、CAXA或ProE。
所述仿真工具为Ansys。
所述步骤（7）中获得网格无关解的条件是两次仿真结果的误差在5%以内。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
（1）本发明通过对电磁铁模型进行有限元分析，能够较为精确的计算出漏磁效应及整个磁路空间的磁场，无需待原理样机生产后通过试验确定电磁铁性能，可以在设计阶段对电磁铁性能及主要结构进行设计，可减少试验次数，很大程度上降低产品研制成本及研制周期。
（2）本发明由于不受试验条件限制，可以较方便获得小气隙小电流情况下电磁力数据，克服了以上数据在试验中不易获得的困难，对提高电磁阀响应速度，提高产品可靠性具有重要意义。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明涉及电磁铁典型结构示意图。
图3为本发明涉及电磁铁有限元几何模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种基于有限元分析的电磁铁磁场仿真方法，步骤如下：
（1）在三维建模工具中对电磁铁进行建模，电磁铁模型被划分为5个面域，面域A1为挡铁部分，面域A2为上盖、电磁铁外壳和导磁环部分，面域A3为线圈部分，面域A4为衔铁部分，面域A5为套环、衔铁和线圈周围空气；三维建模工具为AutoCAD、CAXA或ProE。
对电磁铁建模时可以对模型适当简化，具体为：
电磁铁结构：如图2所示，螺线管式电磁铁一般包括上盖1、绝缘套2、隔磁环3、电磁铁外壳4、螺母5、挡铁6、线圈7、外套8、衔铁9、导磁环10和套环11。电磁铁主要技术参数包括工作电压、线圈匝数、线圈电阻、工作气隙等。
在三维建模软件中，对电磁铁进行建模时可以进行如下简化：
电磁铁磁场仿真分析时一般采用二维轴对称模型进行分析计算；建模时可略去对磁路影响很小的部分，如绝缘套、防松螺母和外套，其余零组件保留；模型简化不应改变结构基本几何特征，对于电磁场分析影响较小的几何细节，如凸台、倒角、倒圆、螺纹等可以忽略。
根据电磁铁的几何尺寸，按照简化原则，依次创建点、线、面，生成对应电磁铁不同构件的面域，磁导率相近的部分在几何建模时作为同一属性的整体面域处理，如隔磁环、套环、绝缘套和空气的磁导率相近，作为同一整体面域处理。建模时应计入衔铁与隔磁环的间隙，按衔铁与隔磁环间的最大配合间隙处理，面域划分示意图见图3。电磁铁被划分为5个面域，面域A1为挡铁部分，面域A2为上盖、电磁铁外壳和导磁环部分，面域A3为线圈部分，面域A4为衔铁部分，面域A5为套环、衔铁和线圈周围空气。
（2）根据电磁铁不同面域确定电磁铁模型各部分的材料属性，非磁性材料的相对磁导率为1，磁性材料的磁导率根据其B-H曲线设置；
非磁性材料：如线圈区域、隔磁环、绝缘套、套环、气隙部分的相对磁导率为1；
磁性材料：如挡铁、衔铁、壳体等材料的磁导率根据材料B-H曲线设置。
（3）采用四边形单元对电磁铁模型的各面域进行网格划分；
将单元属性设置为轴对称，选择合适的单元类型，一般采用四边形单元，以Ansys为例，可选用“Quad4Nod13”或“Quad8Nod53”单元，“Quard4Nod13”为一阶单元，“Quard8Nod53”为二阶单元，二阶单元具有较高的计算精度，不要在同一个模型中混合使用不同阶次的单元，采用一阶单元时网格应适当加密，采用二阶单元时网格可适当稀疏。
对生成的各面域进行网格划分，网格密度应能真实反映结构基本几何形状特征，网格尺寸应小于结构最小特征尺寸，重要区域网格要适当加密，网格划分完后，应使用网格检查工具进行网格检查，保证单元网格质量。
（4）在电磁铁的线圈上加载电流密度，电流密度为线圈区域截面的总电流除以线圈所在矩形区域面积；计算见公式(1)：
（5）电磁铁周围空气和外套与软磁合金相比磁导率极小，忽略电磁铁外部周围空气和外套漏磁的影响，仅考虑电磁铁内部漏磁的影响，在电磁铁外围节点施加磁力线平行条件；
（6）在仿真工具中对该电磁铁模型进行仿真，求解其电磁力；仿真工具为Ansys；求解时一般采用求解器默认参数，根据需要可对步长、算法、收敛准则等进行设置，打开计算监测窗口，可查看求解迭代过程；
（7）将网格加密，重复执行步骤（3）～（6），直至获得网格无关解；获得网格无关解的条件是两次仿真结果的误差在5%以内；
（8）将步骤（7）中结果与实际实验数据进行比对，以确定仿真数据的有效性，若差异较大（大于5%），需返回对模型检查并进行重新计算。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种基于有限元分析的电磁铁磁场仿真方法，其特征在于步骤如下：
（1）在三维建模工具中对电磁铁进行建模，电磁铁模型被划分为5个面域，面域A1为挡铁部分，面域A2为上盖、电磁铁外壳和导磁环部分，面域A3为线圈部分，面域A4为衔铁部分，面域A5为套环、衔铁和线圈周围空气；
（2）根据电磁铁不同面域确定电磁铁模型各部分的材料属性，非磁性材料的相对磁导率为1，磁性材料的磁导率根据其B-H曲线设置；
（3）采用四边形单元对电磁铁模型的各面域进行网格划分；
（4）在电磁铁的线圈上加载电流密度，电流密度为线圈区域截面的总电流除以线圈所在矩形区域面积；
（5）在电磁铁外围节点施加磁力线平行条件；
（6）在仿真工具中对该电磁铁模型进行仿真，求解其电磁力；
（7）将网格加密，重复执行步骤（3）～（6），直至获得网格无关解；
（8）将步骤（7）中结果与实际实验数据进行比对，以确定仿真数据的有效性。
2.根据一种基于有限元分析的电磁铁磁场仿真方法，其特征在于：所述三维建模工具为AutoCAD、CAXA或ProE。
3.根据一种基于有限元分析的电磁铁磁场仿真方法，其特征在于：所述仿真工具为Ansys。
4.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的电磁铁磁场仿真方法，其特征在于：所述步骤（7）中获得网格无关解的条件是两次仿真结果的误差在5%以内。
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