摘要：利用导磁材料的磁饱和特性，设计了一种自密封式电磁铁，电磁铁壳体为1J22的软磁合金，绕组为铜制漆包线，使用Ansoft Maxwell软件进行了电磁铁壳体不同壁厚时的电磁仿真，分析了电磁铁壳体磁饱和特性与电磁吸力的关系，通过数值计算对电磁吸力进行了计算校核。得到一定条件下电磁铁壳体壁厚和绕组工作电压与电磁吸力、有效气隙的相对关系，为自密封式电磁铁的设计提供了参考和依据。
关键词：电磁铁 磁饱和 电磁仿真 电磁力计算
1引言
电磁铁作为一种基础电气元器件，广泛应用于电气自动化领域。电磁铁一般由电磁铁壳体、复位弹簧、线圈骨架、绕组、衔铁、限位板、端盖等部分组成，常规电磁铁结构示意图及其磁力线分布如图1所示[1]。
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图1 常规电磁铁结构示意图和磁力线分布图
在图1中，衔铁上端面与电磁铁壳体间的间隙称为气隙，电磁铁壳体、衔铁和端盖一般采用相对磁导率较高的强磁性材料，例如电工纯铁、软磁合金1J22、10#碳素钢等，线圈骨架一般用非导磁或弱导磁材料，如非金属或铜等。电磁铁常用于为阀类产品的阀芯提供动力，流体可能通过轴孔与芯轴间隙进入电磁铁，从电磁铁尾端或出线孔等部位溢出，进入电磁铁的流体还会对电磁铁绕组和电路的工作性能产生影响，使电磁阀产品的整体可靠性不佳。为了实现电磁铁绕组与输出端可靠密封，提高电磁铁的工作稳定性和可靠性，需要设计一种自密封式电磁铁。针对电磁铁设计过程中需要了解却又无法感知和观测的设计特征，例如磁力线分布、磁感应强度分布、电磁力变化、等特征，可以通过Ansoft Maxwell软件得到直观的仿真结果，便于对比和分析[2]。
2结构与原理
2.1结构设计
根据磁通量饱和特性，在磁路上需要溢出的部位（电磁铁壳体靠近衔铁的位置）将电磁铁壳体设计的较薄[3]，自密封电磁铁结构示意图和磁力线图如图2所示。自密封电磁铁主要由电磁铁壳体、导磁套、绕组、衔铁、堵盖、复位弹簧、隔垫等组成。
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图2自密封式电磁铁结构示意图及其工作时磁力线分布图
2.2工作原理
导磁材料不饱和情况下，磁阻小，磁通沿着导磁零件传递。随着导磁材料内部磁密的增加，一定结构中磁通量逐渐达到饱和，此时需要较大的磁势才能增加微量的磁通，磁密大到一定程度，其消耗的磁势大于在空气中消耗的磁势，可认为此时该材料的磁阻大于空气的磁阻，根据磁通总是沿着磁阻较小的路径传递这一原理，当电磁铁壳体较薄处中的磁通量达到饱和状态时，磁力线会溢出壳体进入空气中传递，从靠近衔铁处溢出的磁力线进入衔铁中进行传递，使衔铁获得电磁力[4]。自密封式电磁铁工作时磁力线分布如图2所示。
电磁铁安装面为上端面，可通过法兰或焊接进行安装，电磁铁断电时复位弹簧将衔铁推回并保持在原位，电磁铁通电后，衔铁获得电磁吸力，将复位弹簧压缩，并提供向上的推力。
3计算与仿真
根据仿真和计算需要，以下仿真中电磁铁均为直流电驱动。电磁铁壳体、导磁套、衔铁选用软磁合金1J22，其在磁场强度为2000A·m-1时达到磁饱和状态，其达到磁饱和状态的磁感应强度（即磁密）约为2.1T。绕组采用非自粘性漆包线 QY-2/220 0.4（GB/T 6109.6-2008）绕制，最大外径0.478mm，标称电阻0.136Ω·m-1（20℃）。使用Ansoft Maxwell软件对电磁铁进行建模，然后分别进行静态磁场仿真和瞬态磁场仿真，根据仿真结果分析电磁铁壳体壁厚、绕组工作电压对电磁铁磁铁产生的影响。
将电磁铁壳体分为中间壁厚、两端壁厚、导磁套厚度分别进行仿真分析。在Ansoft Maxwell软件中建立关于Z轴对称的自密封式电磁铁二维模型，完成边界设定和网格划分，分别进行静态磁场和瞬态磁场仿真，瞬态磁场仿真中气隙值设定为0.25mm，衔铁移动速度为1mm·s-1。
3.1中间壁厚变化
设定绕组工作电压为15V，两端壁厚均为20mm，导磁套厚度为5mm时，设定中间壁厚分别为17.5mm、14mm、10.5mm、7mm、3.5mm。绕组位置及中间壁厚变化设定尺寸如图3所示。
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图3 绕组位置及中间壁厚变化设定示意图
已知绕组漆包线外径D=0.478mm，标称电阻0.136Ω·m-1（20℃），通过计算得到绕组匝数为4711，总长度约为1132m，总电阻约为154Ω。将模型和参数输入
完成仿真后，选取磁力线分及磁感应强度分布图和电磁吸力曲线图进行分析。
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图4 中间壁厚为17.5mm电磁仿真结果
如图4所示，当中间壁厚为17.5mm时，磁力线全部在电磁铁壳体中传递，靠近衔铁处的壳体磁感强度约为1.24T，小于软磁合金达到磁饱和的磁感应强度（2.0T），因此没有磁力线溢出电磁铁壳体进入衔铁，衔铁获得的电磁力为毫牛级（最大为241mN），说明这时的电磁铁壳体结构不合理。
采用同样的方法进行电磁仿真，当中间壁厚为14mm时，磁力线依然全部在电磁铁壳体中传递，靠近衔铁处的壳体磁感强度约为1.76T，小于软磁合金达到磁饱和的磁感应强度（2.0T），因此几乎没有磁力线溢出电磁铁壳体进入衔铁，衔铁获得的最大电磁力为1.45N，说明在壳体接近磁饱和状态时有微量磁力线溢出壳体。当中间壁厚为10.5mm时，靠近衔铁处的壳体磁感强度约为2.0T，达到了软磁合金的磁饱和状态（2.0T），有部分磁力线溢出电磁铁壳体进入衔铁，衔铁获得的最大电磁力为45.7N，说明此时的自密封电磁铁具备了常规电磁铁的功能。当中间壁厚为7mm时，靠近衔铁处的壳体磁感强度约为2.1T，达到了软磁合金的磁饱和状态，有部分磁力线溢出电磁铁壳体进入衔铁，衔铁获得的最大电磁力为36.7N。
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图5 中间壁厚为3.5mm电磁仿真结果
由图5可知，当中间壁厚为3.5mm时，靠近衔铁处的壳体磁感强度约为2.2T，从电磁铁壳体中溢出的磁力线与之前相比，变得更多，衔铁获得的最大电磁力为23.9N。
根据电磁力计算公式（公式（1））[5]-[7]，计算中间壁厚为3.5mm，常温（20℃）时，气隙长度为2.0mm，绕组通15V直流电时的电磁力F。
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已知N=4711、I=0.0974A、磁极表面的总面积为衔铁端面环形面积S=4.15×10-4 m2， 漏磁系数取3，气隙长度为2.0mm，将数值代入公式（1）可得到F=3.03N，根据图5中m1点电磁力为2.25N，与仿真计算结果相近（由于漏磁率取值不够准确），说明电磁仿真结果的可信性较高。
经仿真和计算分析可知，在一定条件下，电磁铁壳体的磁感应强度会随着壳体壁厚值的降低而升高，逐渐达到磁饱和，磁力线会在电磁铁壳体达到磁饱和后溢出，溢出的磁力线进入衔铁使衔铁获得电磁力，证明自密封式电磁铁结构的可行性。随着电磁铁壳体后的变薄，衔铁获得的最大电磁吸力先是升高，然后会有所降低。
有效气隙（即衔铁获得电磁吸力时的气隙）依次为1.65mm、1.65mm、1.65mm、1.95mm、2.26mm，当中间壳体壁厚值小于10.5mm（等于两端壁厚值的0.53倍）后，有效气隙的长度值随着电磁铁中间壳体壁厚值的降低而逐渐增大。当中间壁厚为3.5mm（约为两端壁厚的0.18倍）获得了最大的气隙长度值。
3.2两端壁厚变化
选取壁厚为3.5的电磁铁模型，设定工作电压为15V，将两端壁厚设定为25mm、15mm、10mm、5mm分别进行瞬态电磁仿真，得到电磁吸力仿真值分别为18.6N，15.5N、11.6N、7.3N，两端壁厚为20mm时的最大电磁吸力为23.9N，两端壁厚值对电磁吸力值明显的影响，当其他条件不变时，当两端壁厚值为中间壁厚值的5.7倍时，衔铁获得最大电磁吸力。有效气隙值均为2.26mm，说明两端厚度值变化对有效气隙值无明显影响。
3.3导磁套厚度的影响
用同样的方法（中间壁厚3.5mm、两端壁厚20mm），将导磁套的厚度值分别设定为2mm、3.5mm、6.5mm、8mm、9.5mm，进行瞬态电磁仿真后得到各组最大电磁吸力值和有效气隙值见表1。
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当导磁套厚度值为5.0mm时，衔铁获得的最大电磁吸力为23.9N，有效气隙长度值为2.26，根据表2 可知，衔铁获得的电磁吸力随着导磁厚度值的增加，先是逐渐增加，当导磁套厚度值为5mm（等于中间壁厚的1.43倍）时，达到最大值，然后会有所下降（下降6.5%），然后随着导磁套厚度值的增加，最大电磁吸力没有明显变化。
4结论
根据磁性材料的磁饱和特性，完成了自密封式电磁阀的设计，使用Ansoft Maxwell软件对电磁铁壳体不同壁厚，不同工作电时的电磁场进行了仿真分析，得出结论如下：
1）最大电磁吸力值随着中间壁厚的减小而整体增大，中间壁厚值对有效气隙值有显著影响，有效气隙长度随着中间壁厚的减小而逐渐增大，当中间壁厚最小时，自密封式电磁铁综合特性最佳。
2）最大电磁吸力在一定范围内与两端壁厚值呈正相关，当两端壁厚值增至中间壁厚值的5.7倍时，衔铁获得最大电磁吸力，之后继续增加两端壁厚不会使最大电磁吸力有明显增加。两端厚度值变化对有效气隙值无明显影响。
3）最大电磁吸力在一定范围内与导磁套厚度值呈正相关，电磁吸力随着导磁套厚度值的增加，先是逐渐增加，当导磁套厚度值为中间壁厚的1.43倍时达到最大值，然后会下降6.5%并保持不变。导磁套厚度对有效气隙值无明显影响。
参考文献
[1]磁路设计原理[M]，林其壬，赵佑民，1987，机械工业出版社。
[2]Ansoft 12 在工程电磁场中的应用[M]，赵 博、张洪亮，2010，中国水利水电出版社。
[3]电磁场数值计算与电磁设计[M]，李泉凤，2002，清华大学出版社。
[4]电磁铁吸力公式的讨论[J]，钱家骊，2001，电工技术。
[5]电磁阀的有限元法磁场分析及吸力计算[J]，安琳，刘志珍，赵琳，2004，山东大学学报。[6]电磁阀设计中电磁力的工程计算方法，娄路亮，王海洲，2007，导弹于航天运载技术。
[7]直流电磁铁磁场和牵引力的数值模拟[J]，付文智，李明哲，邓玉山，2005，机械学报。