学术简报｜电磁铁结构参数设计优化的新方法
北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院的研究人员袁洋、武建文、蒋原、李维新，在2018年《电工技术学报》增刊2上撰文（论文标题为“双行程螺管式电磁铁动态仿真分析及实验”），电磁铁利用电磁力作机械功从而将电能转换为机械能，其结构参数的优化设计非常重要。
本文以双行程螺管式电磁铁为研究对象，提出一种Ansys Maxwell与ADAMS联合仿真的建模方法。首先，采用磁路法计算出静态吸力公式，为参数设计提供依据；然后，在Maxwell有限元软件中，建立双行程电磁铁的三维模型，仿真得到其静态特性，耦合电压平衡方程和达朗贝尔运动方程，利用能量增量法得到动态吸力位移曲线；建立ADAMS仿真模型，导入动态吸力得到位移时间曲线，与实验结果相比误差在5%以内，验证了Ansys Maxwell与ADAMS联合仿真的可靠性，为电磁铁的动态分析和结构参数设计优化提出了一种新方法。
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
本文以双行程螺管式电磁铁为研究对象，分析其在不同行程运动过程中的动态特性，得到了以下结论：
1）分析了双行程电磁铁的工作原理，通过磁路法得到了双行程电磁铁电磁吸力的计算公式，得到了静态吸力特性，为电磁铁参数设计提供了依据。
2）利用Ansys Maxwell软件分别对双行程电磁铁第一、二行程的静态吸力特性进行仿真，通过求解电压平衡方程和达朗贝尔运动方程得到动态吸力特性，并在ADAMS软件中实现了机械运动模型仿真，得到了位移时间曲线，描述了电磁铁的动态过程，为电磁铁结构参数优化提供了有效的手段。
3）基于仿真模型指导样机设计，搭建实验平台进行了实验验证，实验结果与仿真结果的运动时间误差在5%以内，验证了动态仿真的正确性。