CN111625983B - 基于磁滞模型的含非线性永磁电磁机构有限元仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁滞模型的含非线性永磁电磁机构有限元仿真方法，所述方法为：S1：建立永磁体实际充退磁过程有限元仿真模型，并对磁感应强度矢量分布进行仿真；S2：确定永磁体不同区域的磁化方向；S3：建立非线性永磁体磁滞模型；S4：对非线性永磁体非饱和充磁下的磁滞回线进行建模，从而得到非线性永磁体非饱和充磁情况下的B‑H曲线；S5：基于FLUX，建立永磁体电磁机构的仿真模型，将B‑H曲线设置为模型中永磁体材料参数，再对所需求的各项继电器电磁参数进行仿真。本发明为现有的含非线性永磁电磁机构提供了一种可靠准确的仿真计算方法，该方法也可应用于其他含复杂充磁情况或复杂形状非线性永磁的电磁机构仿真计算中。

Description

基于磁滞模型的含非线性永磁电磁机构有限元仿真方法
技术领域
本发明属于电磁机构仿真方法领域，涉及一种基于磁滞模型的含非线性永磁体电磁机构有限元仿真分析方法。
背景技术
近些年来，电磁机构朝着小型化、低功耗、高灵敏度的方向发展，永磁体的引进可以有效解决这些问题。含永磁电磁机构的计算精度是保证此类电磁机构设计与优化达到预期效果的前提和基础，这就使得研究含永磁电磁机构的建模计算十分必要。
在含永磁电磁机构中，其中部分电磁机构使用了非线性永磁体以获得更加优良的性能。永磁体在生产过程通常会经过先充磁后退磁的过程，对于非线性永磁来说，通常采用的计算方法是根据回复线模型对退磁后的永磁体B-H曲线进行分段线性等效，但由于回复线模型本身也是对非线性永磁实际工作点迁移轨迹的等效，因此仍存在较大误差。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于磁滞模型的含非线性永磁电磁机构有限元仿真方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于磁滞模型的含非线性永磁电磁机构有限元仿真方法，运用磁滞建模方法，得到非饱和充磁情况下的永磁体磁滞曲线，且认为该曲线第二象限部分为充退磁后的永磁实际工作点迁移B-H曲线，并将该曲线设为仿真中永磁材料参数进行仿真。具体包括如下步骤：
S1：根据永磁体实际充退磁过程情况，建立永磁体实际充退磁过程有限元仿真模型，并对永磁体中磁感应强度矢量分布进行仿真；
S2：根据仿真结果，确定永磁体不同区域的磁化方向；
S3：建立非线性永磁体磁滞模型，其中永磁体部分根据充退磁仿真结果，将永磁体依据磁化方向的不同进行分段建模；
S4：根据非线性永磁体磁滞模型，对非线性永磁体非饱和充磁状态下的磁滞回线进行建模，从而得到非线性永磁体非饱和充磁状态下的B-H曲线；
S5：基于有限元仿真软件FLUX，建立永磁体电磁机构的仿真模型，将得到的B-H曲线设置为该仿真模型中永磁体材料参数，再对所需求的各项继电器电磁参数进行仿真。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、使用本发明相比于目前现有针对非线性永磁的仿真方法，对于含非线性永磁体的仿真计算，具有更高的精度；
2、本发明为现有的含非线性永磁电磁机构提供了一种可靠准确的仿真计算方法，该方法同时也可扩展应用于其他含复杂充磁情况或复杂形状非线性永磁的电磁机构仿真计算中；
3、使用本发明对含非线性永磁电磁机构电磁特性进行仿真分析时，借助已有的成熟仿真软件，可以节省仿真系统的投资，充分发挥现有有限元仿真软件在电磁机构仿真中的作用。
附图说明
图1为实施例的含非线性永磁体电磁机构的结构示意图；
图2为实施例的电磁机构有限元仿真模型；
图3为根据磁滞模型求得剩磁Br为0.8T的下降支磁滞回线；
图4为用不同方法得到的静态吸力特性曲线仿真结果与实测的对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例：
图1是本实施例的含非线性永磁体电磁机构的结构示意图，以图1所示的含非线性永磁体电磁机构为例，进一步说明本发明的技术方案。本实施例中，永磁部分所用永磁体材料为AlNiCo，且根据产品参数，永磁体剩磁Br为0.8T。
首先，根据永磁体实际充磁情况，建立永磁体实际充磁过程有限元仿真模型。本实施例中，永磁体实际充磁方式示意图如图2所示。
然后，建立非线性永磁体磁滞模型，并根据磁滞模型得到非线性永磁非饱和充磁情况下的B-H曲线。本实施例中，采用Preisach模型对AlNiCo永磁磁滞回线进行建模，具体计算公式如下：
Figure BDA0002517173570000041
Figure BDA0002517173570000042
Figure BDA0002517173570000043
式中，H为变量磁场强度，Bi(H)为极限磁化曲线；Bd(H)为磁滞回线的下降支，Bu(H)为磁滞回线的上升支；
Figure BDA0002517173570000044
为起始于(H1,B1)的上升支磁滞回线；
Figure BDA0002517173570000045
为起始于(H1,B1)的下降支磁滞回线；其中：
Bu(H)＝-Bd(-H) (4)；
Figure BDA0002517173570000046
Figure BDA0002517173570000047
已知非线性永磁材料的极限磁滞回线，根据该方法可以求得起始于(0,Br)的下降支磁滞回线，其中第二象限部分，即为非饱和充磁情况下非线性永磁的B-H曲线。根据该方法可得到剩磁Br为0.8T的下降支磁滞回线如图3所示。
最后，将计算得到的B-H曲线数据设置为仿真中永磁体的材料属性参数，进行仿真，得到继电器电磁机构分别在0V、8V、13.5V(吸合电压)下的静态吸力特性曲线，与实测数据、传统两段线性近似的对比如图4所示。从数据对比可以看出，传统两段线性近似方法的仿真结果与实测结果的差距较大，特别是在施加激励的情况下，曲线后半段与实测数据趋势发生较大偏离，而通过本方法仿真得到的结果与实测结果吻合良好，0V时整体误差最大不超过10％，施加激励的情况下，曲线整体趋势也与实测数据一致，明显优于传统两段线性近似方法。
本发明用于在电磁机构的设计阶段，根据产品的实际生产过程，通过磁滞建模，得到更贴近实际产品中永磁体材料属性的B-H曲线，该方法可以大幅度提升复杂形状或复杂充磁情况下的含非线性永磁电磁机构仿真精度，为后续的电磁机构优化设计等奠定良好的基础。

Claims (3)

1.一种基于磁滞模型的含非线性永磁电磁机构有限元仿真方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
S1：根据永磁体实际充退磁过程情况，建立永磁体实际充退磁过程有限元仿真模型，并对永磁体中磁感应强度矢量分布进行仿真；
S2：根据仿真结果，确定永磁体不同区域的磁化方向；
S3：建立非线性永磁体磁滞模型，其中永磁体部分根据充退磁仿真结果，将永磁体依据磁化方向的不同进行分段建模；
S4：根据非线性永磁体磁滞模型，对非线性永磁体非饱和充磁状态下的磁滞回线进行建模，从而得到非线性永磁体非饱和充磁状态下的B-H曲线；
S5：基于有限元仿真软件FLUX，建立永磁体电磁机构的仿真模型，将得到的B-H曲线设置为该仿真模型中永磁体材料参数，再对所需求的各项继电器电磁参数进行仿真。
2.根据权利要求1所述的基于磁滞模型的含非线性永磁电磁机构有限元仿真方法，其特征在于所述S4中，对非线性永磁体非饱和充磁下的磁滞回线进行建模的方法如下：
采用Preisach模型对AlNiCo永磁磁滞回线进行建模，具体计算公式如下：
Figure FDA0002517173560000011
Figure FDA0002517173560000012
Figure FDA0002517173560000021
式中，H为变量磁场强度，Bi(H)为极限磁化曲线；Bd(H)为磁滞回线的下降支，Bu(H)为磁滞回线的上升支；
Figure FDA0002517173560000022
为起始于(H1,B1)的上升支磁滞回线；
Figure FDA0002517173560000023
为起始于(H1,B1)的下降支磁滞回线；其中：
Bu(H)＝-Bd(-H) (4)；
Figure FDA0002517173560000024
Figure FDA0002517173560000025
3.根据权利要求1所述的基于磁滞模型的含非线性永磁电磁机构有限元仿真方法，其特征在于所述S4中，非饱和充磁情况下的永磁体磁滞曲线的第二象限部分为充退磁后的永磁实际工作点迁移B-H曲线。
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