Amesim电磁铁仿真：电磁铁结构参数设计优化的新方法

电磁铁是一种利用电磁力作机械功从而将电能转换为机械能的电磁式电器，不仅广泛运用在远距离操纵机械装置上，也是很多电磁电器的基本组成部件。电磁铁的参数随不同应用场合而改变，为保证其可靠动作，改善功率密度，优化结构参数的设计非常重要。

由于涡流、磁滞以及磁饱和等非线性因素，电磁机构的设计优化具有一定的复杂性。计算机辅助求解技术（Computer Aided Engineering, CAE）能够缩短设计周期，减小设计成本，在电磁铁的参数优化方面最常用的方法是有限元法和基于Matlab语言的Simulink建模方法。

文献[8,9]根据经验公式设计了电磁铁的结构参数，在Ansys Maxwell有限元软件中建立了二维仿真模型，研究不同参数对电磁铁吸力特性的影响，从而对电磁铁结构参数进行优化。文献[10,11]针对传统比例电磁铁仅具备单向驱动能力的不足，研究了具有双向驱动能力的比例电磁铁，并利用Maxwell仿真分析参数变化对电磁铁性能的影响。

上述研究都只从理论上对电磁铁的设计优化进行了分析，缺少实验验证。文献[12]利用Ansys有限元分析软件和AMESim系统参数仿真软件对螺管电磁铁仿真分析得到电磁铁的磁感应强度、磁力线分布和吸力特性曲线，将仿真结果与实测值进行了对比分析，但仿真部分只有静态特性的研究，缺少对动态特性的分析，不能反映动作过程中机械参量和电磁参量的真实变化情况。

文献[13]利用Maxwell软件对电磁铁进行了动态仿真分析，并进行了实验验证，但对于不能直接通过仿真得到动态特性参数的情况没有给出解决方案。文献[14]在Simulink中搭建了瞬态仿真模型，并比较了不同电磁铁结构的瞬态特性，但是没有考虑磁饱和，不适用于磁性材料出现饱和的情况。

为解决以上问题，本文以一种双行程螺管式电磁铁为研究对象，提出了Ansys Maxwell和ADAMS联合仿真的建模方法。本文利用磁路法计算了电磁铁的静态电磁吸力解析式；在Ansys Maxwell软件中搭建电磁铁模型，仿真动铁心的静态特性；耦合机械运动和电压平衡方程，求解不同阶段动态吸力；在ADAMS软件中仿真不同行程动铁心的位移特性，并与实验结果进行对比。

本文采用的Ansys Maxwell与ADAMS联合仿真的方法，能够获取吸力特性、位移特性等电磁机构重要参数，为电磁机构的优化设计提供了新的思路。

图1  双行程电磁铁结构简图

图11  实验平台