采用有限元方法分析直流电磁铁吸合过程

郭 健

(南京航空航天大学 自动化学院,江苏 南京 210016)

直流电磁铁的磁路部分包括线圈、铁心及衔铁,如图1所示。当有直流电压作用到线圈上时,将有电流流过线圈从而产生磁势,在磁势的作用下,磁通将沿着铁心、气隙和衔铁闭合流通,此时衔铁将受电磁吸力而闭合[1]。

图1 直流电磁铁磁路结构

在采用磁路法进行电磁铁吸力计算时,由于无法考虑到较大气隙时漏磁的影响,通过气隙的磁通及气隙中的磁密一般无法准确计算,从而导致在计算衔铁电磁吸力时存在较大误差。基于此,本文采用有限元的方法对直流电磁铁的吸合过程进行了分析计算。有限元模型中考虑了漏磁通和铁磁材料的非线性,相对于磁路法,具有较高的准确性和实用性。该文提到的有限元计算方法对于教师从事直流电磁铁的设计、优化等研究工作有一定的借鉴作用。同时本文的计算结果及分析规律对于学生熟悉和掌握电磁铁吸合时涉及到的电磁过程有一定的帮助,是对“电工学”课程中直流电磁铁分析方法的一种拓展。

1 电磁场分析有限元模型

图2是磁场分析有限元模型。模型中包括铁心、衔铁、线圈、气隙区域以及漏磁通流通的空气区域。由于实际的电磁铁满足平面对称,因此磁场分析时可以选取沿长度方向的任一截面建立二维平面有限元模型。

图2 电磁铁二维有限元模型

在磁场计算中引入矢量磁位A来描述磁感应强度,B= A,在二维平面场中,只存在 Az分量,从而直流电磁铁磁场的二维定值问题满足