序言
作动器，或者叫螺线管，是一种通电以后产生磁场来控制衔铁实现理想力矩和位移的设备。衔铁为铁磁物质，受到磁场作用后产生吸力并把电能转化成机械能，用于对负载的速度、方向、位移、力进行控制。
作动器，有时候也称为制动器、电磁阀、电磁铁等，其应用领域很广，如燃料喷射器（油阀的电磁阀）、电能分配器（断流器、断路器、继电器、接触器等）、各种汽车、液压工业应用等。
本文使用ANSYS公司的Maxwell V16，Simplorer 11．0和ANSYS WorkbenchTM(ANSYS MechanicalTM和ANSYS CFD)软件对电磁作动器进行了多物理域系统级协同仿真分析。
结构简述
作动器的结构形式有很多，但工作原理基本相同。典型的电磁作动器包含一个绕制在铁极片的多匝线圈和一个可移动的衔铁。此外，外壳框架的铁心部分，为磁通提供闭合回路。图1展示了框架、磁极片、线圈和衔铁的几何结构。
图1 三维轴对称结构典型电磁作动器视图
当电磁作动器连接上电压源时，线圈中通过电流并产生磁通形成磁力，驱动衔铁从开启位置移动到闭合位置。有些电磁作动器可采用永磁体来辅助建立磁通或者帮助衔铁在线圈电压关断时保持在一定的位置。音圈作动器使用永磁体产生磁通和线圈电流相互作用，使得线圈中产生洛伦兹力。这些设备可能是二维或和三维结构，运动部件可能是旋转运动或者是非圆柱运动（如摇杆摆动）。
作动器中的衔铁、磁极片和框架均为铁磁材料，建模时考虑了非线性BH曲线饱和效应对设备性能的影响。衔铁形状和尺寸的设计，以及与磁极片的匹配都会影响作动器关闭时刻的力能指标。另外，线圈的设计决定了其电阻和电感值，尤其是电感，因为它正比于线圈匝数的平方乘以非线性铁磁材料和空气气隙的总磁阻。UR的比值为设备的电气时间常数，这个值决定了线圈中电流上升的速度，而设备中磁场建立的速度取决于电涡流，因而电磁扩散时间也会影响作动器性能。
图2显示了作动器在电压源激励条件下的瞬态磁通密度云图。在线圈电流快速上升期间，磁通还没有来得及扩散到作动器的整个磁路前，集中分布在作动器的内表面上，这也延迟了衔铁力场的建立时间，从而延迟了闭合时间。类似道理，当外加电压源关断后从设备上撤销磁场时，由于残磁的存在也会延迟作动器衔铁的重新打开时间。图2插图显示了考虑电涡流后局部磁场扩散过程，随着时间推进，磁场穿过设备壁厚，衔铁受力增加，最后，一旦受力克服了弹簧和负载反作用力后衔铁闭合。
图2 瞬态仿真0.001S后的磁密图
静态和瞬态仿真分析
Maxwell的静态或者瞬态求解器可以完成作动器二维和三维电磁场分析。通常，在静态仿真中把线圈的形状系数、匝数和线径以及几何尺寸等参数设为参数化／优化变量，改变线圈电流和衔铁位置值而输出一组反映力和位置的曲线。由于Maxwell使用了自动自适应网格剖分技术，从而使变量的参数化、优化扫描变得非常的容易。
除了静态方法以外，使用Maxwell瞬态求解器可以仿真考虑了电气控制和机械负载条件下，衔铁到达闭合位置的速度问题。本文给出了一个强有力的仿真案例：外加激励电压源为任意波形（或者使用Maxwell自带的外电路编辑器，同时考虑材料的非线性，考虑机械的运动方程（包含了阻尼、负载力，而且它们都可以是关于位置、速度或者时间的函数），考虑电涡流和磁扩散，其仿真结果如图3所示。
图3 采用Maxwell自带的外电路编辑器实现斩波电流激励
瞬态仿真结果给出了位置波形、线圈电流和二极管电流波形。
系统仿真
Simplorer是功能强大的多域机电系统设计与仿真分析软件，用于电气、电磁、电力电子、控制等机电一体化系统的建模、设计、仿真分析和优化。Simplorer提供了多种建模语言，包括电路、方框图、状态机、方程、VHDL-AMS.SML以及C/C++等标准建模语言。这些语言可混合使用，轻松建立模拟、数字和混合信号的多域设计模型。
对于需要高精度建模的系统组件，Simplorer能够直接和业界领先的ANSYS@电磁场仿真工具动态链接，包括Maxwell，Q3D Extractor，RMxprtTM，PExprtTM，ANSYS Icepak和ANSYS MechanicalTM等。这种协同仿真技术和模型降阶技术让Simplorer具有强大的基于物理原型的系统建模和仿真能力。
在本作动器案例中，若需要更精确的的电路模型，Simplorer可以与Maxwell协同仿真（在Maxwell中考虑了材料的非线性、电涡流和磁扩散），或者使用等效电路模型（等效电路是作动器位置和电流参数化扫描结果，同时忽略了线圈的涡流效应）。图4展示了Simplorer平台下多物理域部件无缝集成的协同仿真系统：设备级的电力电子器件、闭环控制系统、精确的二维或者三维作动器模型、以及机械或者液压负载等。驱动电路与Maxwell有限元模型通过瞬态链接实现协同仿真；机械管脚直接连接定义重量、力、弹簧和停止位限制的装置等。
热-应力仿真
一旦在电磁场仿真分析中得到时域下的线圈和铁芯损耗，就可以通过ANSYN WB环境映射到ANSYS MechanicalTM或者ANSYS CFD（计算流体动力学）中做热分析，如图5所示。电磁场分析得到的平均损耗空间分布映射到ANSYS热模型中，通过直接定义或由CFD软件计算得传热系数，再通过瞬态热性能和热循环分析得到作动器的稳态温度。
总结
ANSYS集成化设计平台，提供了电磁作动器电磁场有限元精确分析和设计工具，既能完成作动器本体静态、瞬态磁场分析，也能完成热场、电路和系统分析。可以帮助公司便捷、准确地实现无缝集成的一体化作动器设计流程，通过高精度仿真，最大限度的减少制作样机的次数，缩短开发周期，降低开发成本，有利于公司在激烈竞争中脱颖而出。
图4 Simplorer平台下作动器系统级仿真
左图为线圈电流、电压随衔铁位置变化的曲线，右图为衔铁受力对时间的波形。
图5 ANSYS WB可直接映射电磁损耗到静态或者动态热模型中，实现电磁、热耦合分析
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本文标题：电磁作动器多物理域分析
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