楊霞

（瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，四川瀘州 646005）

基于ANSYS的電子提花機(jī)電磁閥性能研究

楊霞

（瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，四川瀘州 646005）

通過建立基于ANSYS電磁閥組件的電磁分析模型，得到其磁力線、磁通密度、電磁強(qiáng)度、電磁力，分析穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下電磁力與電壓的二次關(guān)系，并通過MATLAB建立F/U的擬合關(guān)系式，從而對驅(qū)動電壓進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并可對電磁閥組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)如電磁鐵形狀、線圈匝數(shù)、吸合面積、磁性材料、復(fù)位彈簧參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

電磁閥；ANSYS；電磁力；數(shù)據(jù)擬合

1 電磁閥在電子提花機(jī)中的功能

電子提花機(jī)是用以生產(chǎn)高檔提花織物的集精密機(jī)械制造技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)為一體的現(xiàn)代織造設(shè)備[1]。自動提花織造系統(tǒng)由電子提花機(jī)、提花織機(jī)和提花織物組成。電子提花機(jī)控制系統(tǒng)通過控制接口傳送提花數(shù)據(jù)，經(jīng)信號驅(qū)動放大，驅(qū)動電磁閥線圈，電磁閥吸合則經(jīng)紗提升，電磁閥不吸合，則經(jīng)紗不提升。系統(tǒng)內(nèi)電磁閥將表征織物花樣的電信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)經(jīng)紗的提升運(yùn)動。

2 電磁閥組件結(jié)構(gòu)及工作原理

工作時電子提花機(jī)中的電磁閥將表征織物花樣的電信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)經(jīng)紗的提升運(yùn)動，是自動提花織造系統(tǒng)中極其關(guān)鍵的執(zhí)行元件。同時一臺電子提花機(jī)一般都有數(shù)千個電磁閥且要求任一電磁閥在織造系統(tǒng)24小時連續(xù)工作狀態(tài)下都能可靠的動作，系統(tǒng)對電磁閥的電磁性能要求極高。

圖1 自動提花系統(tǒng)組成

電磁閥組件主要由電磁閥鐵芯、漆包線線圈、選針掛鉤、復(fù)位彈簧等部分組成。通過為線圈提供電壓產(chǎn)生電流，環(huán)繞線圈的鐵芯、空氣氣隙、選針掛鉤形成磁路[2]。大部分磁力線通過鐵芯與選針掛鉤間的工作氣隙，產(chǎn)生電磁力。在電磁力的作用下，選針掛鉤轉(zhuǎn)動與鐵芯吸合，可靠吸合需克服復(fù)位彈簧的阻力。選針掛鉤的釋放過程是通過復(fù)位彈簧的彈力來完成。

電磁閥磁路由鐵心、軛鐵和簧片組成，而對電磁閥的分析可根據(jù)簧片處于釋放和吸合位置分別進(jìn)行。

圖2 電磁閥組建結(jié)構(gòu)圖

3 電磁閥的供電方案

由于提花針為1344針，而每個選針機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電流為75 mA，這樣電流最大時高達(dá)100.8 A，大電流對電源和線路都是一個很大的負(fù)擔(dān)，而且在選針機(jī)構(gòu)上產(chǎn)生大量的熱，使選針機(jī)構(gòu)上產(chǎn)生大量的熱而無法正常工作。電磁閥組件選針機(jī)構(gòu)驅(qū)動器工作原理：初始狀態(tài)時，選針掛鉤和鐵芯間的空氣氣隙較大，為使其吸合，需要較大的電磁力，而一旦吸合，其保持力就相對較小[3]。

采用開關(guān)電源與PWM高低壓可調(diào)的雙電源工作驅(qū)動電路。當(dāng)同步信號到達(dá)時，用高電壓U1驅(qū)動電磁閥線圈，而電磁鐵與選針掛鉤一旦吸合，就采用占空比可調(diào)的PWM電路來驅(qū)動電磁閥的線圈，以使其保持吸合狀態(tài)。保持鐵芯與選針掛鉤吸合狀態(tài)的驅(qū)動電壓U2較小，可解決系統(tǒng)的發(fā)熱問題，并降低功率提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 ANSYS對電磁閥組件電磁分析

本文研究電磁線圈在恒定電壓穩(wěn)定狀態(tài)下的電磁磁通密度、磁力線、電磁力。電磁閥組件的初態(tài)下工作電壓采用15 V，線圈阻值為500Ω，線圈匝數(shù)3 670。

穩(wěn)態(tài)下線圈產(chǎn)生的磁場適用于2-D靜態(tài)磁場的h-Method方法分析[4]。根據(jù)電磁閥組件的對稱性及同組件中選針掛鉤工作狀態(tài)的不同，采用一組選針掛鉤進(jìn)行分析。電磁閥產(chǎn)生的磁場適用2-D靜態(tài)磁場或3-D靜態(tài)磁場中的矢量位方法分析，3-D模型是模擬結(jié)構(gòu)最貼切的模型，3-D模型通常比2-D模型復(fù)雜得多，也常要求更多的計算時間，因而應(yīng)該首先考慮盡量用2-D模型進(jìn)行分析。由于電磁閥組建是對稱的模型，為了簡化計算，只需要取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

在ANSYS圖形編輯環(huán)境下，建立電磁鐵芯、線圈、選針掛鉤、空氣等模型如圖3所示，選擇系統(tǒng)默認(rèn)的單位制MKS（米—安培—秒），在自動計算電磁線圈面積時需注意單位轉(zhuǎn)換。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

模型中材料區(qū)域有空氣、線圈、導(dǎo)磁材料，定義相應(yīng)材料的屬性，模型在導(dǎo)入需采用交迭操作保證各個面在交界處相黏結(jié)，以保證在劃分網(wǎng)格時它們是共節(jié)點(diǎn)的，而使解收斂。磁力線沿模型外側(cè)表面閉合，這一類邊界屬于第一類齊次邊界。在系統(tǒng)內(nèi)為模型加載平行邊界條件。

在線圈面上加載電流密度載荷。電磁閥可等效為一電阻電感負(fù)載，線圈電流的表達(dá)式為：

i：線圈電流瞬時值；U：驅(qū)動電壓；R：線圈等效電阻，線圈阻值為500Ω；L：線圈等效電感。D線圈電感值為230 mH。在考慮穩(wěn)態(tài)下，t?τ，，i=U/R。電流密度J=ni/A，載荷形式為體載荷，采用施加電流密度到線圈上的載荷形式。電流密度J=ni/A，n為線圈匝數(shù)3 670，i為線圈電流，A為線圈橫截面積。

在后處理器環(huán)境下結(jié)算后，得到磁場強(qiáng)度分布如圖4所示。

圖4 磁場強(qiáng)度分布圖

為計算相應(yīng)電壓下產(chǎn)生的電磁力，建立選針掛鉤組件。在掛鉤組件中截取部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，計算其水平方向上的受力，此力產(chǎn)生的力矩使掛鉤吸合。

5 相同氣隙下驅(qū)動電壓與電磁力關(guān)系模型的建立

通過給電磁線圈施加不同的電壓，基于AN?SYS計算得到組件上產(chǎn)生的水平方向的電磁力如表1所示。

表1 不同電壓下的電磁力表

忽略電磁鐵的漏磁和渦流效益，電磁作用力可由麥克斯韋電磁吸力方程表示為：

其中ΣRm為磁路的總磁阻。

μ0為真空（近似為空氣）的磁導(dǎo)率；μ為磁路中鐵磁體的磁導(dǎo)率，μ?μ0，l為電磁體的磁路平均長度；δ為工作氣隙；A為有效吸合面積；?為磁通量；B為磁感強(qiáng)度；N為線圈匝數(shù)；I為線圈工作電流。

c0為結(jié)構(gòu)常數(shù)，電磁鐵的電磁作用力應(yīng)該與線圈電流I呈二次方曲線的關(guān)系。

圖5 電磁力F與加載電壓U的擬合曲線

考慮穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，并忽略電阻的阻值變化，電磁力與電壓的關(guān)系應(yīng)為二次曲線關(guān)系，利用MAT?LAB對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行二次項擬合，程序如下：

x=[0 1 4 6 9 13];

y=[0 0.05 0.19 0.47 0.84 1.78];

p=polyfit(x，y，2);

plot(x，y，'o');

xx=linspace(min(x)，max(x));

yy=polyval(p，xx);

plot(x，y，'o'，xx，yy);

計算結(jié)果為：

p=[0.009585 0.010282 0.014405]

電磁力與加載電壓的關(guān)系式F=aU2+bU+c，進(jìn)行二次項擬合結(jié)果為：

F=9.585U2+10.282U+14.405(單位：10-3N)

F/U曲線關(guān)系如圖5。

6 結(jié)語

本文建立的提花機(jī)電磁鐵的三維模型，通過ANSYS構(gòu)建了電磁閥部件的電磁分析模型，應(yīng)用CAE功能計算出了電磁吸力。分析了電磁鐵電磁力與電壓二次曲線關(guān)系，并采用MATLAB得出了電磁鐵線圈的驅(qū)動電壓與產(chǎn)生電磁力之間的二次擬合函數(shù)。通過建立的模型解決了電磁閥工作中的發(fā)熱問題，并能減少電子提花機(jī)的功率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為系統(tǒng)的進(jìn)一步電磁鐵結(jié)構(gòu)、氣隙空間、線圈參數(shù)、驅(qū)動電壓等的優(yōu)化設(shè)計研究建立了基礎(chǔ)。

［1］李志祥.提花機(jī)［M］.北京：紡織工業(yè)出版社，1992.

［2］郭張軍，吳震宇，劉鳳臣.基于ARM7的噴氣織機(jī)電磁閥控制電路［J］.機(jī)電工程，2012（7）：773-776.

［3］張樹林.電子提花龍頭的設(shè)計和實現(xiàn)［J］.紡織學(xué)報，2001（10）：25-26.

［4］唐興倫.ANSYS工程應(yīng)用教程——熱與電磁學(xué)篇［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

(編輯：阮 毅)

圖6 小車整體三維圖

3 結(jié)論

本文所設(shè)計的避障小車運(yùn)用定滑輪和細(xì)繩完成重物勢能的轉(zhuǎn)換，利用齒輪機(jī)構(gòu)將能量傳遞給后輪和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過不完全齒輪齒條機(jī)構(gòu)來進(jìn)行方向控制。小車設(shè)計新穎、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕。該小車在木質(zhì)地板上能成功繞過8個障礙物。

參考文獻(xiàn)：

［1］鄒光明，楊秀光.以勢能驅(qū)動的渦卷彈簧儲能小車研究［J］.機(jī)械設(shè)計，2012，29（4）：32-35.

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［6］陳江義，焦利明.基于多學(xué)科協(xié)同算法的V型帶傳動優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2013（2）：160-162.

第一作者簡介：鄒光明，男，1970年生，湖北仙桃人，博士，副教授。研究領(lǐng)域：概念設(shè)計、智能設(shè)計、機(jī)器視覺等。已發(fā)表論文20篇。

(編輯：阮 毅)

Study on Performance of Electronic Jacquard Solenoid Valve Based on ANSYS

YANG Xia
（Luzhou Vocational&Technical College，Mechanical Engineering Department，Luzhou646005，China）

This paper is purposed through establishing the electromagnetic analysis model based on ANSYS solenoid valve module to obtain the magnetic line of force，flux density，electromagnetic strength and electromagnetic force analyze the binary relation between electromagnetic force and voltage under the stable state，and get the relational expression of F/U through MATLAB，so as to optimum design the driving voltage and to optimum design the structure parameters of solenoid valve，such as shape of electromagnet，turns，suction area，magnetic material，reset spring，etc.

solenoid valve；ANSYS；electromagnetic force；data fitting

TS103

A

1009－9492(2014)03－0023－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.007

楊 霞，女，1981年生，湖南津市人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：機(jī)電一體化技術(shù)。已發(fā)表論文5篇。

2013－09－04