电磁仿真软件（精选七篇）
电磁仿真软件 篇1
1873年麦克斯韦尔提出了著名的Maxwell方程组,并预示了电磁波的存在。1888年,赫兹通过实验测量证明了电磁波的存在。20世纪初,意大利发明家兼商人马尔可尼用简单的无线电收、发装置实现了跨大西洋的简单电报传输,开辟了无线通信广阔的应用前景。随着电磁场与波在雷达、通信、导航、遥感、医学、空间等领域应用的不断深入,电磁场与波技术在高等院校电子信息类学科发展和学生培养中的作用日趋重要[1]。《电磁场与波》课程是电子信息类专业必修的专业基础课,更是后续课程《微波技术》、《天线与电波传播》、《移动通信技术》的基础课[2]。
《电磁场与波》的前修课程是《大学物理》和《高等数学》,其课程特点是概念抽象、理论深奥、计算复杂、公式繁多,具有“学生难学、教师难教”的特点[3]。由于电磁场与波看不见摸不着,传统的教学模式又是学生被动接受知识,从而使学生更加难以理解和掌握电磁场与波理论。为了使学生直观、生动理解电磁场模型,很多高校加入了实验教学环节。但就“场”类的硬件测量实验来说,实验配套设备昂贵、仪器操作复杂,使用不当可能造成较大的经济损失[4],且“场”类实验需要专门的测试场地,如微波暗室。有些高校不具备这样的实验条件,即使有微波暗室,也很难在微波暗室中给本科生开设实验课。因而,“场”类硬件测量实验在很多高校中要么不开设,即使开设的也是一些非常简单的实验,很难满足学生对电磁场与波的深刻理解要求。为了解决这些难题,借助于目前先进的商业电磁仿真软件,设计出和课程相对应的仿真程序,使电磁场与波原理通过图形甚至动画形式呈现出来,学生目睹电磁场与波的传播过程,提高对电磁场与波的理解。另外,由于许多高校进行了教学改革,专业基础课课时不断压缩,《电磁场与波》的教学课时相应减少,这对教师和教学内容提出了更高要求。电磁仿真演示型实验信息量大、易被接受,能够在一定程度上解决课时不足的窘境[3]。不仅如此,目前利用电磁仿真软件对微波、毫米波工程的设计与仿真已成为潮流。在《电磁场与波》课程中引入电磁仿真软件,可以让学生感受电磁仿真软件的功能与效果,在以后的学习和应用中,有选择地使用其中一种作为解决电磁问题的手段。为了培养既懂“电磁场与波”,又熟悉电磁仿真软件的高层次人才,在教学中引入电磁仿真软件辅佐理论教学势在必行。事实证明,只有不断探索“场”类实验课程教学的新模式、新方法,以培养学生创新精神、团队意识和实践能力为重点,加强学生解决实际问题和独立工作能力的训练,才能为学生继续深造和未来任职奠定坚实的基础[3]。
1 仿真实验平台
1.1 XFDTD软件
XFDTD是基于时域有限差分(Finite-difference Time-domain,FDTD)方法的全波三维电磁仿真软件,是美国REMCOM公司开发的软件包核心产品之一。FDTD是直接对Maxwell方程的微分形式进行离散的时域方法,能解决复杂精细结构和电大尺寸天线及阵列设计、电中小尺寸的天线布局问题等。FDTD方法计算复杂度低,所需内存和计算时间与未知量成正比,仿真复杂结构效率高。相比于Ansoft公司推出的HFSS(High Frequency Structure Simulator)软件,XFDTD在仿真电大尺寸、解决宽频瞬态问题等方面更胜一筹。在《电磁场与波》课程中,电偶极子及对称天线在远区场的辐射分布、均匀平面波在多层媒质中的传播过程等都无法在HFSS软件中仿真。但在XFDTD软件中,不仅能得到定量结果,还能看到电场、磁场或者电流等各个场量在空间的辐射过程。对于类似矩形波导这样的微波元器件,不仅能在HFSS软件中仿真,还能在XFDTD软件中仿真。因而,本文选用XFDTD作为电磁仿真软件进行仿真和分析。
1.2 Matlab软件
Matlab是Math Works公司研发的一款用于科学与工程计算的软件工具,具有强大的矩阵运算、数据处理和图形显示功能。Matlab拥有大量简单、灵活、易用的二维、三维图形函数以及丰富的图形表现能力,方便各种科技图形的绘制[5]。在很多论文中,直接利用Matlab进行编程,对电磁场与波中的一些电磁现象进行计算和绘图,得到形象、直观的电磁波传播过程[6,7]。本文先利用XFDTD软件仿真电磁模型得到仿真数据,然后利用Matlab对这些数据进行处理,得到想要的结果。这样处理的目的有三:①更易仿真复杂的电磁模型。Matlab毕竟是程序语言,面对复杂问题的处理能力和速度没有仿真软件强;②虽然电磁仿真软件也能得到图形,但形式单一。为了得到更多的图形,就必须把仿真数据输出,然后再利用绘图软件进行绘图,Matlab正好满足这种需求;③学习电磁仿真软件,可为今后的电磁工程设计和仿真打下基础。
2 仿真实验教学实例
以对称天线和矩形波导这两个典型案例作为仿真对象,演示第1节提到的实验方法,查看实验结果,判断本文方法的准确性和合理性。
XFDTD商用软件基于FDTD,在建模时要设置以下内容:①创建仿真模型,并指定媒质材质;②网格剖分,保证仿真稳定性;③激励源的设置,有电压源、波导界面、外部激励等;④边界条件设置,有PEC边界、PMC边界、PML边界、Liao边界等;⑤设置收集数据的Sensors,有近场Sensors、远场Sensors等,还可设置收集点数据、面数据、体数据;⑥全部设置完后保存,即可进行仿真;⑦仿真后查看结果,结果是数值、图形或者动态图形。有些结果可直接输出,有些是一些数据,可以保存下来再通过绘图程序显示。
2.1 对称天线方向图
对称天线是最常用的线天线类型之一,由一根中心馈电的直导线构成。假设对称天线的长度为L,和工作波长处于相同数量级,本文中假设L等于两倍的工作波长。馈电口间隙很小,可近似认为等于零。对称天线如图1所示。
以对称天线的中心即馈电点为原点,z轴与该天线的轴线重合。当在天线的馈电口输入电磁能量时,天线将产生感应电流,这个电流在天线的两个开路端上应为0,其分布规律可近似表示为:
式(1)中,表示最大点的电流复振幅;是电磁波在真空中的波数。
在XFDTD软件中,先设定工作频率为2GHz,对应的工作波长为15cm。创建Wire Body模型,即对称天线,天线的总长度为30cm,即两倍工作波长,中间留一定间隙用于馈电。新建Materials-Perfect Conductor,即理想导体媒质。把设置好的材料拖到Wire Body上,即可设定对称天线的材质是理想导体。设置Waveforms的Type为Sinusoid,即正弦函数。设置Outer Boundary为PML Absorbing,设置边界条件为7层的PML。由于默认的网格设置能满足要求,所以不作任何修改。馈源设置最重要,选用Circuit Components,打开界面后,设置馈源的起始点和终止点,并设置Component Definition为50ohm Voltage Source,即可完成馈源设置。因要收集对称天线远场特性,所以选择Sensors中的Far Zone Sensors,根据需要设置参数。所有的模型和参数设置完成后,保存工程,然后进行仿真Simulations。仿真完成后,可在Results中查看结果。结果中包括对称天线的远场特性Far Zone Sensor、馈源参数Feed、天线系统参数System等有关结果。所得结果不仅包括数值、二维图像、三维图像,还能动态演示场量的变化过程。因篇幅限制,下面只给出了E面、H面方向性图,如图2所示。其结果和教材[8]上通过解析计算得到的结果一致。
2.2 矩形波导场分布
矩形波导是截面形状为矩形的空芯金属管,其结构如图3所示。矩形波导是最常见的波导,a、b分别为内壁的宽边和窄边尺寸。矩形波导的管壁材料是金属,求解时可认为是理想导体,波导内填充的介质可认为是理想介质。电磁波只有在满足传播条件时才能在波导内传播,即和电磁波的工作频率、矩形波导尺寸以及模指数都有关。当这些参数发生变化时,传播的模式也会随之改变。大多情况下,不管波导内是单模传播还是多模传播,都想得到单个模式的传播特性和场结构。据此,通过XFDTD仿真得到国产BJ-100型号波导内TE10模的场结构。
对于BJ-100型号波导,宽边a=22.86mm,窄边b=10.16mm,波导内媒质为空气。设置工作频率为15GHz,工作波长为2cm。根据工作波长<截止波长的传播条件,此时波导内能传播TE10模、TE20模、TE01模3种模式。在XFDTD中,可选择查看其中一种模式的场分布。本文选择查看TE10模的参数和场结构。
在XFDTD软件中,设定工作频率为15GHz。创建Cuboid模型,设置Width为2.29cm,Depth为1.02cm,Height为4cm。因矩形波导是一个两头空的金属壳,所以利用shell在刚建立的模型侧面加一层外壳,厚度设置为0.1cm,即构成波导。创建Materials-Copper,把设置好的材料拖到Cuboid上,即可设定波导外壳的材质是铜。由于电磁波仅在矩形波导内传播,能量不会传输到外面空间,因而设置所有Outer Boundary为PEC边界。这个边界和矩形波导的金属壳效果是一样的,所以在设置网格时,移除PEC边界和矩形波导模型之间的网格,即设置Free Space Padding(base cells)为零,这样计算速度更快、效率更高。其它网格设置的默认值能满足要求,无需改变参数。设置Waveforms的Type为Automatic,即自动生成波形。矩形波导激励的设置和上面对称天线不一样,选用Waveguide Interfaces,定义一端横截面为有源界面,另一端横截面为无源界面。即一端相当于激励,激发电磁波;另一端相当于负载,接收能量。在Port Specification中,添加想要查看的TE10模,点击Compute Modes,即可得到等于或者低于本征频率的TE10模的场和其它信息。因要收集矩形波导内的所有信息,所以先在Definitions中设置New Solid Sensor Definition,设置将要收集的是稳态场还是瞬时场,然后在Sensors中设置Near Field Sensors,从而完成收集数据sensors的设置。所有模型和参数设置完成后,保存工程,然后进行仿真Simulations。仿真完成后,可在Results中查看结果。结果中包括矩形波导内的电磁场、波导激励和接收信息等。在这个例子中,把数据导入Matlab,然后再画图。因矩形波导内TE10模只有Ey、Hx、Hz分量,且都和y方向无关,因此给出了XOZ平面的场分布,用等值线表示,如图4所示。
为验证XFDTD方法的准确性,根据教材[8]提供的解析法,利用Matlab编程,也得到了TE10模的场分布,如图5所示。
对比图4和图5,可以得知周期和变化规律是一样的,只是初始相位略有不同。解析法中设置初始相位为零,而在XFDTD中则不然。
3 结语
本文提出了利用电磁仿真软件设计《电磁场与波》课程中典型例子的方法,得到二维、三维及动态图形,形象、直观地演示了电磁波在媒质或传输线中的传播过程和分布情况,把深奥难懂的理论知识通过图像的形式表现出来,激发了学生的学习热情,促进充分了解课程内容精髓,深刻理解课程内容,从而为今后的学习打下坚实基础。学生对电磁仿真软件和Matlab语言有所了解和掌握,拓展了知识面,为培养宽口径、高素质人才打下基础。
摘要：《电磁场与波》课程理论性强、概念抽象。通过对典型实例的仿真研究,利用电磁仿真软件设计出适合该课程的实践教学环节,形象演示了电磁波在空间的传播和分布,学生加深了对电磁波传播特性的理解,提高了教学质量。
关键词：教学改革,电磁仿真,XFDTD,Matlab
参考文献
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电器中电磁机械仿真常用软件与方法 篇2
随着高、低压电器的技术发展, 依靠电磁力产生运动相关的机械在电器领域中应用越来越广泛, 从传统最常见的电磁铁到近年来进入市场的永磁机构、磁力机构、斥力机构等。由于产品的结构越来越复杂, 形状越来越不具有规则性, 采用传统的磁路分析等理论计算方法来指导产品设计逐渐具有一定的局限性。随着数值计算法的发展, 特别是各种大型商业软件的不断推广和应用, 利用仿真技术对电磁机械进行仿真分析已经成为工程领域中常用的手段。
电磁机械仿真技术是指基于相关基础理论, 借助于计算机技术和专业的分析软件, 实现对电磁机构电磁场、力、运动等方面的静态和动态特性的仿真, 为产品的设计和优化提供理论支持和方向指导。仿真技术的应用改变了长期以来人们用传统的工程计算方法进行特性分析所造成的精度差的缺点, 可以在样机制作和实验分析前, 掌握电器产品的性能, 减少重复样机的制作, 降低实验费用, 同时缩短新产品的开发周期, 提高产品性能[1]。
在电磁数值计算方法中, 有限元法以其通用性强, 适用于对复杂结构和场域等优点, 成为应用最广发的方法, 基于有限元的商业仿真软件也较多的进入市场。常用的软件有ANSYS, Ansoft, Quick field, Infolytica等。这类软件通常是具有三维有限元剖分的有限元计算通用软件, 以麦克斯韦方程组为出发点。除了仿真一般意义上的磁路和电磁场, 各种电磁类机构都涉及到电磁-力-运动等基本理论, 工程设计人员往往需要的是产品最终的电磁力, 速度, 时间等特性。因此除了进行基本的电磁场仿真外, 还需要综合考虑机构的动力学特性。文章总结了几种借助商业软件进行电磁场仿真和动力学仿真的常见方法, 对电器中电磁类机械的设计有一定的指导作用。
1 基于ANSYS的方法
1.1 计算原理
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析 (FEA) 软件, 它是世界范围内增长最快的CAE软件, 可以进行包括结构、声、热、流体以及电磁场等多门学科的研究。ANSYS中载流导体的电流分布计算主要以下面两个基本方程式作为依据[2]:
上式中, E为电场强度, V为标量电动势, J为电流密度矢量, σ为电导率。其中, 式 (2) 为电流的无散度条件, 即场域中任意封闭面的电流净出量为零, 空间内没有电流源。
获得载流导体的电流密度以后, 电流产生的磁场可根据 (3) 进行计算:
式中, A为矢量磁位, v为磁导率, B为磁感应强度。计算完维磁场以后, 其与载流导体相耦合的磁链采用式 (4) 进行计算:
式中, n为载流导体匝数, W为磁场能量, I为载流导体中流过的电流。
电磁吸力计算应采用Maxwell应力张量法进行计算, 与可动衔铁接触的空气单元i的应力张量为Ti, 接触面积为s, 单元的力密度为Fi, 则衔铁整体受到的电磁吸力F计算公式可以表示成式 (5) 和 (6) :
通过上面的方法就可以计算出整体受到的电磁吸力。
1.2 计算方法和过程
ANSYS功能强大, 在电磁场仿真方面可以进行二维和三维的静态、谐波和瞬态分析, 基本能满足电器中电磁机械仿真的所有需求, 并且具有强大的二次开发功能, 专业人员能够根据需要进行程序编写, 进行针对性的复杂分析计算。但是ANSYS的经典界面操作不是特别方便, 一般的工程人员需要花费一定的时间入手, 而操作界面较清晰的workbench模块目前仅仅能实现静态的电磁场分析, 不能完全满足电磁机构的设计的需要。
目前最常用的方法是首先利用ANSYS软件包建立有限元模型, 进行静态电磁场仿真计算, 得到电磁吸力与气隙和电流关系的二维静态数据表格。静态电磁场仿真主要包括以下几个基本步骤: (1) 定性分析, 确定选择的分析方法, 选用单元, 赋予材料属性等; (2) 前处理, 创建仿真的物理环境, 建立模型, 网格设置和划分, 施加载荷和边界条件, 设置求解标志 (Flag) 等; (3) 求解, 设置分析类型, 求解器选项等; (4) 后处理, 场量云图和数据的绘制, 输出。
静态电磁特性分析不仅可以在电流密度, 磁路, 磁力线等方面对电磁机械的设计有直接帮助, 还可以为其作为动态特性分析数据基础。完成静态仿真后, 耦合达朗贝尔机械运动特征微分方程:
在上述静态仿真的基础上, 利用静态仿真得到的电磁力数据, 利用插值方法得到吸力变化曲线, 然后一般采用龙格-库塔法, 利用C语言或Matlab软件, 求解上述机械运动微分方程组, 进行机构动态吸力和运动的仿真计算, 得到电磁机械的动态特性。
上述方法应用广泛, 功能强大, 能满足不同的需求, 并且有利于通过二次开发进行复杂问题的求解, 以及便于后续提取数据与其它场进行耦合计算, 但是该方法操作比较复杂, 直观性较差, 编程和数据处理需要较强的专业技能。
2 基于Ansoft Maxwell的方法
Ansoft作为世界著名的商用低频电磁场有限元软件之一, 在各个工程电磁领域都得到了广泛的应用。它同样基于麦克斯韦微分方程, 采用有限元离散形式, 将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解[3]。Ansoft不仅可以对单个电磁机构进行数值计算, 还可以对整个系统进行联合仿真。
其中, Maxwell中三维瞬态求解模块特别适用于电器中电磁机械的仿真计算, maxwell可以输入任意波形的电压、电流激励源的设备, 并且能够与外部电路耦合, 获得精确的激励, 基于外部激励, 该模块能同时求解磁场、电路及运动等强耦合的方程, 最终直接得到电磁机械的运动过程以及电磁力、运动时间等设计人员需要的参数。
进行Ansoft三维瞬态分析主要有以下几个步骤: (1) 几何模型的建立, 可以采用Ansoft建模或者从三维造型软件导入; (2) 材料和激励给定, 其中可以将控制电路添加到软件中作为激励源, 这点非常适用; (3) 网格剖分和求解设定, 可以进行铁芯质量, 阻尼系数, 以及运动反力的设置; (4) 后处理, 可以得到电磁机械的磁密分布, 激励电流, 电磁力, 速度, 位移等随时间变化的曲线等等需要的结果, 而且能够直接观察运动动画, 功能非常强大。
该软件和方法的主要优点是操作界面比较符合常见的风格, 操作较简单, 激励源的电路输入方便快捷, 后处理功能强大, 得到的结果基本能满足设计人员的需要, 因此得到了普遍应用。但是该方法在动力学方面的设置稍显简陋, 不太方便输入复杂的运动反力关系, 而且与动铁心相连的非磁性运动部件难以考虑进去。
3 基于电磁场和动力学仿真结合的方法
该方法的基本思路是:首先利用ANSYS或Ansoft等软件对电磁机械进行电磁场有限元分析, 在给定的气隙和激励电流的前提下, 进行电磁吸力的静态分析, 对动铁心位置和线圈中电流进行离散化, 由静态仿真获得每一个运动位置和电流对应的电磁力和磁链值, 从而通过网格变换和三次样条非线性拟合技术获得磁力机构动态特性仿真所需的关系由此可获得电磁吸力和气隙、电流之间的二维离散数据关系, 将分析结果保存。
然后在ADAMS等动力学软件中建立操动机构模型, ADAMS是世界上应用广泛且的机械系统动力学仿真分析软件, 利用ADAMS软件能够建立和测试虚拟样机, 实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动学和动力学性能。可以在ADAMS中建立实际的模型, 对所有部件施加各种约束, 建立状态微分方程组进行仿真, 其中吸力可由具体时刻的气隙和电流根据静态电磁场的分析结果插值而得到。仿真结果可以直观的观察到所有运动部件的运动过程, 并且得到所需的力、位移、速度、加速度等与时间的变化曲线, 最大限度的满足了设计需求。
该方法充分利用了电磁场仿真软件与动力学仿真软件在各自领域的优点, 操作简单, 应用于电器的开发设计中, 可以在制作样机前, 掌握产品的性能参数, 进而优化设计方案, 降低设计费用。
4 结束语
文章总结了电器设计中几种常见的借助商业软件进行电磁场仿真和动力学仿真的方法和优缺点, 对电器中电磁类机械的设计有一定的参考价值。随着仿真技术的进一步发展和推广, 会出现功能更强大、更方便快捷的电磁机械仿真软件, 促进电器行业的发展。
摘要：介绍了电器中电磁机械仿真技术的发展现状和常用软件, 探讨了几种常见电磁机械仿真方法的基本原理、功能和优缺点, 主要分析了基于有限元方法的电磁场仿真、运动学和动力学仿真的基本过程, 仿真技术大大简化了电磁机械设计的工作量, 计算手段和精度也不断完善。
关键词：电磁机械,电磁场仿真,动力学仿真
参考文献
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电磁仿真软件 篇3
作为一门迅速发展的交叉学科, 它涉及的基础学科广, 又与实际工程联系紧密, 理论性和实践性均较强, 因此在高校电类专业中开设“电磁兼容”这门课程是十分必要的。传统的教学方式, 仅通过教师的讲授和学生的理论学习, 容易使学生丧失学习热情, 而开展电磁兼容实践所需的硬件环境又很高。在学校实验条件不足的情况下, 针对以上问题, 笔者结合自己多年的教学以及科研经验, 提出利用电磁仿真软件进行辅助教学, 加深学生对电磁兼容技术在实际工程中应用的理解, 为学生将来从事电气工程方面的工作打下坚实的基础。
一、电磁兼容课程的特点
如前所述, 电磁兼容是一门新型的交叉学科, 学习电磁兼容所需的前修课程繁多, 且学生并不具备工程经验基础, 较难将所学的不同门类课程和理论知识进行衔接、过渡, 更难以应用, 这些都使得电磁兼容原理与技术具有与众不同的特点。
1.电磁兼容课程的原理部分涉及较多的数学、物理概念。教学中, 许多结论必须通过数学推导和物理分析才能得出, 难度较大。
2.电磁兼容课程的实践部分需要一定的工程实践经验和较好的实验动手能力。
电磁兼容技术与实际应用有着非常密切的联系, 而且它本身就是一门在实践中发展起来的学科, 课程的理论学习需要在实践中理解和掌握。
二、仿真实验引入课堂
正是基于上述特点, 根据教学进度适当引入一些与生活中常见的电磁现象密切相关的案例实验, 对学生学习兴趣的提升和加深理论理解有显著帮助。然而, 诸多客观因素使课程实验很难在一般高校中开展。
1.实验条件要求高。电磁兼容类实验对实验环境要求较高, 普通实验室里各种电气电子设备在正常和异常运行状态下都会产生或出现各种电磁干扰, 往往会影响实验结果的准确性。这就需要一个全屏蔽的空间, 起到内外电磁场相互隔离的作用, 即提供一个纯粹的电磁环境, 便于对设备开展各种电磁场分析和研究而不受到外界的影响。再者, 实验所需的仪器设备通常较为昂贵, 由于经费有限, 如此苛刻的硬件条件是目前大部分高校都较难满足的。
2.专业经验要求高。实验方案的设计需要具备丰富的工程实践经验, 这对学生而言显然是不能完成的任务。即使教师设计好了实验方案, 仪器设备的操作也需要较高的专业技能。操作不当极易对设备造成损坏, 甚至可能威胁到学生的人身安全。
理论教学缺乏实感, 实验教学又难以开展, 面对此矛盾, 虚拟仿真实验为解决问题提供了可能。仿真软件将电磁理论与数值方法结合起来, 能够方便、快捷地进行数值实验, 使问题形象化, 可操作性较强。目前电磁仿真已经成功地应用于电磁性能预测、设计的多个方面。在理解待分析的问题、合理设置仿真模型和求解参数的前提下, 仿真可以完全代替测试, 在电磁兼容教学中引入仿真实验, 具有多方面的优势:第一, 可以方便灵活地调整几何结构、材料属性、放置位置等关键参数, 并且可以针对某一环节进行单独的分析;第二, 可以根据教学的要求分析任意部件, 得到系统的任意电磁特性, 提供了比测试更丰富的信息;第三, 在虚拟环境下, 得到结果都是理想的, 有助于排除干扰。
三、案例分析
电磁兼容技术中, 屏蔽技术是抑制电磁干扰的三大途径之一, 因此也是电磁兼容教学中的重点内容, 有必要在此处设置实验。
1.实验的理论分析。屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或削弱电磁能传输的一种技术, 屏蔽材料一般选用金属导体或其他对电磁波有抑制作用的材料。屏蔽体的性能可用其屏蔽效能来定量评估。屏蔽效能定义为空间某点上未加屏蔽时的电场强度 (或磁场强度) 与安装屏蔽后该点的电场强度 (或磁场强度) 的比值, 一般用分贝表示:
通常情况下, 屏蔽效能的大小与屏蔽体的结构和材料关系紧密。在磁场屏蔽中, 利用良导体在入射磁场作用下产生涡流电流, 并由涡流电流的反磁抑制入射磁场。此外, 对于铁磁性物质, 其产生的磁化电流也会对磁场起到抑制作用。
2.实验的设计。为了研究不同屏蔽材料对磁场屏蔽效能的影响, 采用当前主流的电磁场有限元分析软件ANSOFT MAXWELL进行建模分析, 模型如图1所示。一根铜质导线载有100A、50Hz交流电流, 传输线上方0.3m处置有一块长2m、宽1m、厚0.002m的金属薄板, 对载流导线产生的磁场起到屏蔽作用。在金属板上方取一条平行于x轴的观测线, 仿真时其他参数保持不变, 金属板先后采用铝、铁、铜三种材料来测试它们对磁场屏蔽效能的差异。
3.仿真结果。屏蔽效能仿真测试结果如图2所示, 可以看出铁板的屏蔽效果明显优于铝板和铜板, 与理论分析相符合, 所以在进行磁屏蔽设计时要尽量选用铁磁性材料, 如钢、工业纯铁或高磁导率铁镍合金等。
四、结语
针对电磁屏蔽的仿真实验, 书本上的理论知识得到了直观、有效地验证, 学生可以深入理解屏蔽的效用和评估方法。在实验过程中学习了常用电磁仿真软件的简单应用, 并能初步运用数值方法分析电磁工程问题。教学中根据教学进度合理安排仿真实验, 大大降低了实验成本, 扩大了学生的参与规模。通过理论与实践结合, 避免了纯理论灌输的枯燥乏味, 使电磁兼容课程的教学效果得到明显提升。
参考文献
[1]李玉梅, 卜乐平.“电磁兼容”课程案例导入式教学实践[J].课程教材改革, 2013, 26 (2) :49-50.
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双线圈电磁系统电磁吸力仿真计算 篇4
在低压电器产品中, 控制与保护开关的使用范围越来越广。近年来, 电器产品不断取得新的发展, 控制与保护开关作为一种电磁开关电器, 其使用数量日益增加, 同时产品的节能越来越受到重视。为了实现节能的目标, 许多学者做了大量研究, 设计了电磁铁机械自锁装置[1], 在接触器接通时利用机械力使得电磁线圈断电, 而此时接触器仍然是接通的, 从而达到节能的目的。其缺点是对机械锁扣的工艺性提出了很高的要求, 在电磁系统需要释放时, 必须能可靠、快速地解除锁扣环节, 否则将不能快速分断电路。采用电力电子技术, 利用电子元器件的功能与特性, 实现电磁系统线圈上电压、电流波形的自动控制与调节, 实现了对接触器性能指标要求的灵活控制, 达到了节能目的[2,3,4,5,6]。但是安装节能附加装置要占用低压电器的辅助触头作为启动阶段和保持阶段的转换开关, 给用户的安装、维修带来不便。永磁交流接触器解决了接触器发热、噪音、掉闸等问题[7], 但其缺点是复位弹簧保持力较小, 易受外力的影响, 且越来越多的人对双线圈控制与保护开关通过两个线圈的转换实现节能。本文的研究对象是双线圈控制与保护开关, 对双线圈控制与保护开关的电磁结构以及工作原理进行了介绍, 使用ANSYS软件的参数化设计语言 (APDL) 建立三维静态电磁系统模型, 利用ANSYS寻优功能求解励磁电流, 并求解电磁吸力与工作气隙的关系, 对不同匝数的吸合线圈和保持线圈进行仿真, 研究两个线圈匝数对电磁吸力的影响, 并通过调节线圈匝数实现降低损耗的目的, 为产品设计提供理论指导。
1 双线圈控制与保护开关的结构和工作原理
双E型电磁铁的电磁结构如图1所示, 主要包括动、静铁心和反力弹簧。线路中接入电流后动静铁心开始吸合, 电流切断后动静铁心开始释放。其中a轴将动铁心与线圈骨架相约束, 使得动铁心沿着骨架滑槽运动;b轴将动铁心和触头支持相约束, 使得动铁心的运动能带动接触组主触头的运动;c轴将动铁心和主反力弹簧相约束, 动静铁心的电磁吸力和弹簧反力完成吸和反力的配合。
双线圈技术是指电磁系统中的启动线圈和保持线圈, 通过常闭辅助触头装置的切换, 分别工作在启动吸合和保持闭合这两个阶段。启动线圈工作在启动吸合阶段, 产生较大吸力使动静铁心快速吸合;保持线圈工作在保持闭合阶段, 能够减小线路中的电流, 降低损耗。两个线圈在动铁心吸合过程中进行转换, 线圈有两种转换方式:一种是通过机械按钮控制转换;另一种是通过电子延时线路进行转换。本文所采用的转换方式是第一种, 在气隙值达到1.7mm时通过机械按钮辅助触头进行转换。
串联双线圈线路图如图2所示。该线路中有两个线圈, 左侧和右侧分别是启动线圈和保持线圈, 其匝数分别是N1和N2匝。动铁心刚开始运动时, 只有右侧线圈接入线路中, 左侧线圈被常闭辅助触头S短接, 由于右侧线圈的匝数少、导线截面积大, 所以线圈的电阻较大, 因而能够产生较大的电磁吸力, 吸引动铁心克服弹簧反力运动。当动铁心运动到设定位置时, 常闭辅助触头S打开, 左侧线圈接入线路中, 两个线圈串联运行。由于左侧线圈的匝数多、导线截面积小, 因此线圈电阻较大, 所以线路中电流较小, 保持安匝较小, 这样可以有效降低功率损耗。
2 双线圈控制与保护开关三维有限元分析
ANSYS软件是集电场、磁场、流体、结构分析于一体的有限元分析软件。ANSYS软件有两种操作方式:一种是GUI操作方式, 即图形模式;另一种是APDL参数化设计语言操作方式。前者简单直观, 但是对于一些需要重复设计的环节, 就显得相当琐碎, 相比之下, 后者具有明显的优越性。利用APDL参数化设计语言设计ANSYS的有限元分析命令流, 可以实现参数化建模、参数化施加载荷与求解以及参数化显示结果, 从而实现参数化有限元分析的全过程, 十分便捷, 节约了设计周期。
2.1 双线圈控制与保护开关模型的建立
为建立模型, 首先要知道模型的尺寸, 本文双线圈控制与保护开关的主要部件尺寸如表1所示。
为了建立双线圈控制与保护开关实体模型, 首先建立动铁心和静铁心方块模型, 在动铁心外围施加方柱体空气层, 作为动铁心施加力的标志。然后在整个模型外围添加圆柱体空气层, 为仿真提供空气介质。电流源通过直接生成的方式确定电流源的位置和形状, 然后建立跑道型线圈。其中电流大小由电压电阻关系可以得到。线圈电阻的计算见式 (1) 。
式中, ρ为导线的电阻率, 在20℃时的ρ=1.75×10-8Ω·m;N为线圈匝数;c、rc分别为线圈外、内半径, m;ktc为线圈填充系数, 取0.6;h、Δ分别为线圈高度和厚度, m。
双线圈控制与保护开关模型如图3所示。
2.2 双线圈控制与保护开关的材料特性
磁性材料按其特性和用途通常可分为软磁、硬磁两类材料[8]。软磁材料和硬磁材料的区别在于外部磁场消失后, 材料的磁性是否快速消失。电磁铁有通、断两个工作状态, 通电时电磁吸力能迅速增加并达到规定值, 断电后电磁吸力快速减小至零, 因为软磁材料在外部磁场消失后材料磁性会快速减小, 且剩磁很小, 因此电磁铁选择使用软磁材料。
双线圈控制与保护开关的动静铁心、磁极的磁化曲线数据如表2所示。
由BH数据得BH曲线如图4所示。
另外, 设置空气的相对磁导率为1, 而电流源不需要输入材料性质。
2.3 双线圈控制与保护开关的网格剖分
在ANSYS软件分析过程中, 模型的剖分直接影响到计算结果的精度。本文仿真设定的网格划分等级为6, 自由划分类型选择“Free”, 单元划分形状选择四面体“Ted”, 将连续系统转化为离散系统。双线圈控制与保护开关网格剖分图如图5所示。
2.4 后处理
后处理POST1模块具有强大的图形显示能力, 所需结果存入数据库后, 可以将读取的数据结果通过图形直观地显示出来, 图形显示磁场分布如图6所示。
从图6可以看出, 绝大部分磁通集中在动、静铁心中, 周围空气中只分散少量磁通。同时E型电磁铁铁芯中极内的磁通要比其他两极要多, 其工作气隙区域内所含磁通较其他两极间工作气隙要多。
2.5 仿真结果
ANSYS计算得到的电磁吸力仿真结果如图7所示。
3 仿真结果与分析
本文通过机械按钮控制的方式, 在气隙值达到1.7mm时接入保持线圈, 并对不同线圈匝数的电磁吸力进行仿真, 研究两个线圈匝数对电磁吸力的影响。
3.1 吸合线圈500匝, 保持线圈500匝
在额定电压220V, 吸合线圈与保持线圈各500匝时的电磁吸力与气隙关系如图8所示。气隙最大值为6mm, 此时电磁吸力为160.24N, 随着气隙间隙的减小, 电磁吸力越来越大, 在1.7mm时达到1 310N, 如前面所介绍, 本文通过机械按钮的方式进行电路转换, 保持线圈在气隙值到达1.7mm时接入电路, 此时线路中总电阻值增加, 电流减小, 电磁吸力降为430.9N, 动铁芯依靠动能继续吸合。
3.2 吸合线圈300匝, 保持线圈700匝
在额定电压220V, 吸合线圈300匝, 保持线圈700匝时的电磁吸力与气隙关系如图9所示。由于吸合线圈匝数较小, 电路中电流较大, 气隙间距6mm时电磁吸力就达到为1 172.9N, 随着气隙间隙的减小电磁吸力不断增加, 在1.7mm时达到2 610N, 而此时保持线圈通过机械按钮接入电路, 因为保持线圈匝数较多, 此时线路中总电阻值增加较大, 电流迅速减小, 电磁吸力降为405.9N, 动铁芯依靠动能继续吸合。
3.3 吸合线圈700匝, 保持线圈300匝
在额定电压220V, 吸合线圈700匝, 保持线圈300匝时的电磁吸力与气隙关系如图10所示。由于吸合线圈匝数较多, 电路中电流较小, 气隙间距6mm时电磁吸力仅为45.6N, 随着气隙间隙的减小电磁吸力不断增加, 在1.7mm时达到409N, 此时保持线圈通过机械按钮接入电路, 因为保持线圈匝数较少, 此时线路中总电阻值增加较小, 电流小幅减小, 电磁吸力降为254.5N, 动铁芯依靠动能继续吸合。
3.4 结果分析
不同匝数线圈的静态吸力特性如图11所示, 由图11仿真结果得到以下结论。
1) 电磁吸力值随着气隙间隙的减小不断增大, 在保持线圈接入电路后, 线路中的总电阻值增大, 电流减小, 电磁吸力有所下降, 但动铁芯此时具有较大动能, 可继续吸合。
2) 保持线圈匝数不变时, 吸合线圈的匝数越多, 其电阻值越大, 动铁芯起动吸合时电流较小, 电磁吸力较小, 反之, 电磁吸力较大。
3) 吸合线圈匝数不变时, 保持线圈的匝数越多, 保持线圈串入电路的电阻较大, 线圈电流大幅减小, 此时电磁吸力迅速减小, 反之, 电磁吸力减小较小。
4) 通过调节吸合线圈匝数, 使电磁吸力稍大于弹簧反力, 节约能量;也可以调节保持线圈, 使电流较小且能保证动铁心有效吸合, 降低能量损耗。
4 结束语
本文利用有限元计算方法对双线圈控制与保护开关电磁机构静特性进行仿真, 在ANSYS软件中建立双线圈控制与保护开关电磁机构模型, 利用寻优功能优化求解电流励磁下的磁场分布和动铁芯所受电磁吸力。分析仿真结果得到电磁机构吸力特性与工作气隙的关系, 并且对不同匝数的吸合线圈和保持线圈进行仿真, 研究各自线圈匝数对电磁吸力的影响, 通过调节线圈匝数降低能量损耗, 为产品的设计优化提供理论支持。
摘要：介绍双线圈控制与保护开关的结构以及节能工作原理, 建立双线圈控制与保护开关电磁机构的三维静态磁场模型。仿真求出电磁吸力与工作气隙的关系, 对不同匝数的吸合线圈和保持线圈进行仿真, 研究两个线圈匝数对电磁吸力的影响, 为双线圈匝数选型提供理论指导。
关键词：双线圈,节能,电磁吸力,线圈匝数
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计算电磁学在电磁兼容仿真中的应用 篇5
关键词：航空飞行器,计算电磁学,电磁兼容,数值方法
0引言
随着电子技术的发展, 电子、电气设备越来越广泛地应用于航空飞行器上, 恶劣的电磁环境往往使电子或电气设备不能正常工作, 导致航空通信、控制系统性能的降低。因此, 电磁兼容性就成为工程设计中的一个重要课题。只有在整个系统的初期设计时, 对系统的电磁兼容性进行预测, 对不满足电磁兼容要求的部分进行优化处理, 才能最终实现整个系统的高可靠性。
近年来, 计算电磁学发展迅速, 理论日趋成熟和完善, 并广泛应用在电磁兼容领域。利用计算电磁学理论解决工程中电磁兼容问题, 不仅提高了计算的准确性, 而且降低了成本, 为在研发初期掌握产品可能出现的电磁兼容问题提供了有效的手段和途径。因此, 仿真计算对于那些利用实验和测试方法难以解决的电磁兼容问题是一种很好的解决方法。
本文介绍了几种常用的数值算法, 并对各种算法进行了分析。针对航空用电设备常见的电磁兼容问题, 利用计算电磁学理论进行分析和数值仿真, 实现了对用电设备电磁兼容性有效的预测, 为系统的初期电磁兼容性设计提供了理论依据。
1电磁场数值方法的介绍和比较
计算电磁学是现代电磁场理论、现代数学方法和现代计算机技术相结合而产生的一门新兴交叉学科。其主要任务是通过大型计算解决各相关领域中提出的各种极复杂的电磁场问题。
当前电磁学中使用较多的数值方法主要有两类, 一类是以电磁场问题的微分方程为基础的数值方法, 如有限元法 (FEM) 、时域有限差分法 (FDTD) 等;另一类是以电磁场问题的积分方程为基础的数值方法, 如矩量法 (MOM) 、多层快速多极子法 (MLFMM) 等。
1.1 有限元法
有限元方法是近似求解数理边值问题的一种数值技术[1], 最早于20世纪40年代提出, 在六七十年代被引进到电磁场问题的求解中。该方法的原理是用许多子域来代表整个连续区域, 在子域中未知函数用带有未知系数的简单插值函数来表示, 利用里兹变分法或伽略金方法得到一组代数方程, 最后通过求解这组方程得到原边值问题的近似解。原边值问题可表示为:
式中:Ω是计算区域;Γ1和Γ2是计算边界。有限元法求解上述问题的一般步骤为:
(1) 将要求解的边值问题转化为相应的变分问题:
(2) 剖分场域Ω, 其典型的剖分单元有三角形、角锥、四边形、四面体等, 选出相应的插值函数, 在任意单元中有:
(3) 将变分问题离散化为一种多元函数的极值问题, 得到如下一组代数方程组, 求解方程组。即可得到待求边值问题的数值解φi。
式中:Kij为系数矩阵;φi为离散点的插值。
有限元法可以方便地分析具有复杂几何结构和非均匀介质材料的电磁问题, 因此, 这种方法在各种复杂的静态场问题、导波问题、电磁辐射和散射问题中得到了广泛的应用。
1.2 矩量法
自从20世纪60年代Harrington提出矩量法基本概念以来[2], 它在理论上日臻完善, 并广泛用于工程之中, 特别是在电磁兼容领域, 矩量法更显示出其独特的优越性。它的思想是将待求的积分或微分问题转化为一个矩阵方程问题, 借助于计算机, 求得其数解。很多电磁场问题都归结为这样一个算子方程[3]:
式中:L为算子;g为已知激励函数;f为未知响应函数。展开未知函数f为有限个线性无关的已知简单函数fn之和:
式中:an是展开系数;f1, f2, …, fn为展开函数或基函数。将式 (8) 代入式 (7) , 再应用算子L的线性, 可以得到:
选一组线性无关的函数ωm (m=1, 2, …, N) , 分别与式 (9) 两边作内积。
因为m=1, 2, …, N, 所以得到N个方程, 解出f。
矩量法就是这样一种将算子方程转化为矩阵方程的一种离散方法。
矩量法更适合于求解具有表面电流分布的各种几何体, 如计算天线远、近场辐射场强、方向图等。它的算法简单, 不需要设置边界条件, 而且对于适当的尺寸, 求解速度较快。
1.3 时域有限差分法
K.S.Yee于1966年提出求解电磁问题的时域有限差分法, 其原理非常简单, 即直接将时域Maxwell方程组的两个旋度方程中关于空间变量和时间变量的偏导数用差商近似, 从而转换为离散网络节点上的时域有限差分方程[4,5]。
为了建立差分方程, 首先要将求解空间离散化。通常是以一定形式的网格来划分求解空间, Yee提出了如图 1所示的差分网格单元, 其特点是在同一网格中, E和H的各分量在空间取值点交叉放置, 使每个坐标面上的
时域有限差分法在天线辐射特性计算、微波电路分析、散射体雷达散射截面等方面有广泛的应用, 对于计算孔缝对屏蔽效能的影响具有优越性。
1.4 几种方法的比较
矩量法既要面对繁难的积分方程, 又要注意基函数的恰当选取;既要耐心处理奇异点, 又要巧妙构思快速求解技术。相对而言, 实施有限元要容易些, 只需要注意基函数选取及稀疏矩阵存储方式即可。至于时域有限差分就更容易了。因此一般说来矩量法实施最难, 有限元次之, 时域有限差分法最易。
就通用性而论, 有限元与时域有限差分相近, 都很通用, 矩量法则稍差。矩量法通用性的不足从某种程度上说换来了高精度、高效率。虽然原则上说, 三种方法精度相当, 然而实际计算表明, 矩量法精度最高, 有限元次之, 时域有限差分最差。其原因是矩量法没有数值色散误差, 其他两种都有。时域有限差分不仅有数值色散误差, 且模拟复杂几何形状的误差一般也要大于其他两种数值方法。
2计算电磁学在电磁兼容领域的应用
航空用电设备电磁兼容问题类主要有天线间的耦合干扰、场线耦合, 机箱的屏蔽性能等。若在用电设备设计初期就能考虑电磁兼容性问题, 就能比较容易地满足飞行器上电磁兼容性的要求, 同时也节约了产品测试成本。因此, 利用数值方法对电磁兼容问题进行仿真计算, 并对计算结果进行分析, 就可以有效地对设备的电磁兼容性进行预测和评估, 为设备电磁兼容设计提供可靠的理论依据, 并具有重要的实际意义[6,7]。
2.1 天线耦合问题
飞行器上的天线形式多样, 工作时要求能够与其他天线兼容, 因此天线的布局设计尤为重要。若要减小天线间的耦合, 就要选择使两天线间耦合系数尽可能小地点放置天线, 但又要考虑天线本身的辐射特性最佳等诸多因素。因此实际天线布局设计是一个综合性的调整过程, 预先计算天线间的耦合系数, 对于系统发挥最大功效并电磁兼容性良好来说, 是非常重要的。
当天线端口匹配时, 天线间的耦合度可以表示为:
式中:Pr为接收天线接收到的功率;Pt为发射天线的输入功率。
算例分析:两个喇叭天线相对放置, 两天线间放置一块金属板, 可以有效去除直线上的直接耦合。采用有限元法计算两个喇叭天线的耦合系数。图 2为喇叭天线的仿真模型。图 3为计算得到天线间的耦合系数。
2.2 开缝箱体屏蔽效能计算
一般情况下, 航空电子设备都是用金属箱体来屏蔽外界电磁干扰的。机箱上可能在盖板、通风散热孔、电源信号线处存在孔缝隙, 电磁能量可通过屏蔽机箱上这些孔缝直接进入电子设备, 孔缝耦合作用严重影响了机箱的屏蔽性能, 降低设备或系统的可靠性。因此需要对机箱的屏蔽效能进行数值仿真, 使敏感器件避开场的峰值区域, 提高电子设备的抗干扰能力。
屏蔽体的好坏用屏蔽效能来描述, 屏蔽效能表现了屏蔽体对电磁波的衰减程度, 定义为屏蔽前某点的场强与屏蔽后该点的场强之比[9]。用公式表示为:
式中:E0为屏蔽前某点的电场强度;ES为屏蔽后某点的电场强度。
算例分析:某一用电设备机箱, 其正面中心处有一缝隙, 并面对入射波方向。在小孔面积相同的情况下, 考虑了圆形孔、正方形孔和两个尺寸不同的矩形孔四种情况, 如图 4所示。利用FDTD方法计算四种情况下机箱的屏蔽效能。图 5为计算得到的不同尺寸孔缝屏蔽效能的对比。由仿真结果可知, 在开孔面积相同的情况下, 当入射波电场方向平行于长方形孔的短边时, 耦合进箱体的场强最强, 相应的箱体屏蔽效果越差, 且长边与短边的比值越大, 屏蔽效果也越差;当入射波电场方向平行于长方形孔的长边时, 耦合场强最弱, 箱体的屏蔽效果最好。
2.3 场线耦合问题
互连电缆通常是航空通信、电力、电子等系统中电磁兼容性能较为薄弱的环节[10], 外部环境对互连电缆的耦合经常造成系统性能的降低, 甚至失效。研究其对与外部环境电磁场的耦合机理, 对于系统电磁防护及电磁兼容分析有着重要的意义。算例分析:在平面波照射下, 采用矩量法, 计算得到屏蔽同轴电缆上产生的感应电压, 如图6所示, 并计算得到不同线型 (如平行双线、双绞线) 上产生的感应电流, 如图7所示。 由仿真结果分析可知, 双绞线上的耦合电流比平行双线小很多, 从抗干扰的角度来讲应尽可能采用双绞线代替平行双线。
3结语
随着计算电磁学的高速发展, 必将促进多种数值方法的不断涌现, 其在电磁兼容领域必将得到更为广泛的应用。为航空用电设备的电磁兼容性设计提供了理论依据, 实现了电磁兼容设计的有效性和科学性, 从而满足航空通信, 电子系统电磁兼容的要求。
电磁仿真软件 篇6
电磁开关阀是电液控制技术中常用的组成器件,电磁铁作为电磁阀的核心部件,是其“电—机—液”转换过程中的关键执行器, 电磁铁的动静态性能直接影响电磁阀的性能,进而影响系统特性。目前,在此类系统的动静态分析中,多数研究都基于一种假设,即电磁铁反应动作快,对系统影响可以忽略不计。这种假设在一般情况下是成立的,但在高速开关阀运动系统中,电磁铁性能对于高速开关阀乃至整个系统的影响就必须认真加以研究。
一般情况下,电磁开关阀作为控制级先导阀[1],采用脉宽调制(PWM)方式直接进行控制,输出脉冲流量作为功率级导阀的控制量进行工作。由于研究工具的限制,现有的仿真研究[2,3] ,主要是推导数学模型的状态方程,采用Matlab/Simulink进行仿真分析。而对脉宽调制控制技术[4,5]以及电磁开关阀的动静态性能方面的研究[6,7],均没有考虑到其中电磁铁的电磁特性,只是被动进行补偿差动控制,以提高控制精度;或者把磁路和电路分割开来,各自分别进行仿真分析。
本研究结合使用电磁场仿真软件Ansoft Maxwell和系统建模仿真软件AMESim,对新型数字液压系统中使用的高速电磁开关阀进行建模仿真,并对其动静态性能进行仿真研究。
1 电磁开关阀的系统结构及模型建立
本研究使用的电磁开关阀结构简图如图1所示。其为螺纹插装常开式电磁阀,工作过程如下:当电磁铁线圈2通电时,衔铁1产生的电磁推力通过顶杆(即衔铁右部的杆状物,其与衔铁是一体的)和分离销6使回油球阀5与供油球阀7一起右移 ,直至供油球阀紧靠其密封座面 ,此时回油球阀5打开关闭,供油球阀7关闭,控制口通油箱,输出为低压。当线圈2断电时 ,供油球阀7在供油—回油压差作用下向左运动,使供油口与控制口接通,分离销推动回油球阀5紧靠密封座面,使回油口与供油口断开,控制口输出为进油高压。
可以看出该电磁阀的一个显著特征是线圈断电时,借助进油口与控制口的压差作用而使球阀回位,省去了相关复位弹簧设计,并且其中使用的球阀具有自动对中的优点,整体结构简单,响应速度快。但是由于PWM控制信号在高速切换时,电磁铁部分的线圈存在电感,各部分的惯性以及油液压力等原因,导致电磁开关阀在各种不同的工况下,对使用频率都有所限制,这些都是需要研究和注意的地方。
1—衔铁;2—线圈;3—极靴;4—阀体;5—回油球阀;6—分离销;7—供油球阀
1.1 基于Ansoft Maxwell 2D的电磁铁仿真模型
1.1.1 二维电磁场基本理论方程
Ansoft Maxwell 2D的静磁场求解器,运用有限元法对麦克斯韦方程组求解出计算场内的各点电势和磁势量,然后求出磁场储能,即可求得需要的电磁铁吸力和电感系数,相关表达式为:
式中:B、H—场量,μ—介质的磁导率,Wm—磁场势能,L—计算的电感,I—产生磁场能量的电流,F—电磁力(采用虚位移的方法求解),W/m1和W/m0—虚位移前后的磁场储能,S1和S0—虚位移前后部件的位置[8]。
由上述理论方程可知,在电磁铁结构和材料参数一定的情况下,电磁吸力F和电感系数L只与部件的位置和励磁电流有关,也就是衔铁与极靴间的气隙以及通过线圈的电流有关。
1.1.2 电磁铁仿真模型及计算
在对电磁铁的结构参数详细测量后,本研究在Ansoft Maxwell中选择二维静磁场求解器,建立电磁铁的求解几何模型,因为电磁铁整体为轴对称形式,只需构建xoz平面的图形即可,如图2所示。
1—衔铁;2—外壳;3—线圈;4—极靴;5—阀体;6—计算区域
在选择各部分材料后,本研究选择衔铁的Z轴电磁力和线圈的电感系数为求解选项参数,以衔铁位置(气隙)和激励源(安匝数)为变量进行参数化仿真计算。得到电磁力F与气隙和安匝数的关系曲线如图3所示,电感系数与气隙和安匝数的关系曲线如图4所示。
图3显示,电磁铁的吸力随着气隙的增加而减少,随着安匝数的增加而增加,其最大值在气隙为零而安匝数最大的地方。图4显示,电磁铁的电感系数大小随气隙和安匝数的增加而减小,最大值在气隙和安匝数均为零的时候。符合上述的理论方程。
1.2 基于AMESim的电磁阀仿真模型
电磁开关阀阀芯的动力学模型数学方程为:
式中:mv—运动部件的质量,xv—阀芯位移,Cs—粘性阻尼系数,F—电磁力,fs—稳态液动力,ft—瞬态液动力,fl—液压力。
根据如图1所示的电磁开关阀结构简图,本研究使用AMESim软件中HCD(Hydraulic Component Design)模型库、EM(Electro Mechanical)模型库等建立的电磁开关阀完整仿真模型如图5所示。其中的电磁铁模块使用的电磁力和电感系数数据文件由Ansoft Maxwell计算得到,按照AMESim的数据表格形式创建。
2 动静态性能仿真分析
2.1 电磁开关阀动态性能仿真
电磁开关阀的控制方式与电液伺服阀和比例阀的连续控制方式不同,电磁开关阀采用脉冲流量控制方式,其根据PWM控制电信号进行“开”和“关”动作,使阀芯周期运动,在控制口输出响应的脉冲流量,由于PWM信号的周期时间较小,故可以将脉冲流量的时间平均视为控制流量。可见电磁开关阀的流量与PWM信号占空比τ(τ=脉冲宽度/脉冲周期)成正比,占空比越大,其相应的控制流量越大,对功率级的控制作用越好。故对电磁开关阀动态性能研究,需要仿真不同占空比的PWM控制信号下,阀芯的运动情况。
对电磁开关阀动态性能仿真,本研究利用阶跃信号激发PWM信号模块,表示仿真启动。PWM信号控制电磁铁的通电与断电,从而控制电磁开关阀的通断。
本研究设定仿真参数为进油压力15 MPa,PWM信号频率25 Hz,PWM信号占空比τ分别为0.25、0.50、0.75进行仿真计算。电磁开关阀的PWM信号、电磁铁的线圈电流I、阀芯的位移S关系如图6～8所示。
通过分析图6～8中不同占空比的PWM信号、线圈电流、阀芯位移三者之间的关系曲线,可得如下结论:
(1)阀芯的运动开启时间滞后于PWM上升信号,且阀芯运动过程中线圈电流有明显的波动。原因是:当PWM输入高电平,线圈接入电源电压,其中电流从零值逐渐增长,磁通增长的规律和电流相同。电流增长到电磁吸力足以使衔铁开始运动时,衔铁开始运动。衔铁运动后气隙减小,气隙中磁阻改变,线圈电感发生变化,引起一个小的反电势,使得线圈电流减少。当衔铁达到其终点位置而停止运动时,气隙不再变化,电感值不再改变,线圈中的电流继续上升直到其能达到的最大值。可见电磁铁的动作时间包括衔铁触动时间和衔铁运动时间。
(2)阀芯的关闭开始时间同样滞后于PWM下降信号,且阀芯运动过程中线圈电流有明显的波动。原因是:当PWM输入低电平,线圈中失去激磁,磁通开始衰减,由于感应电势以及铁芯中的涡流等作用,电磁吸力是逐渐减小的,当吸力不足以吸住衔铁时,衔铁开始释放,气隙增大,气隙中磁阻改变,线圈电感发生变化,引起一个小的正电势,使得线圈电流增大少许,当衔铁到达气隙最大处停止运动时,气隙不再变化,电感值不再改变,线圈中的电流继续下降,直到零值。可见电磁铁的释放时间包括磁通衰减时间和衔铁返回运动时间。
(3)在其他仿真参数不变时,PWM信号的占空比τ与线圈电流、阀芯位移的关系有如下规律:随着τ的减小,PWM输入信号的高电平持续时间缩短,线圈电流所能到达的最大值在减小,当τ减小到一定数值时,电磁铁的吸力不足以使衔铁运动,阀芯不能开启,电磁阀处于常闭状态,此时PWM信号不能起到控制作用;随着τ的增加,PWM输入信号的高电平持续时间延长,阀芯开启持续时间也相应延长,当PWM信号的低电平持续时间不足以使阀芯关闭,高电平脉冲就开始作用而使线圈电流开始增加时,阀芯不能够关闭,开关阀处于常开状态,此时PWM信号亦不能起到控制作用。
相对于现有研究,笔者详细研究了电磁开关阀在不同占空比的PWM控制信号下,其线圈电流以及阀芯运动的情况,分析了其中电磁特性方面的原因。其结果表明,由于电磁开关阀的电磁铁线圈感应电流的存在,使得阀芯的开启和关闭均滞后于PWM的控制信号,随不同占空比τ不能够完全实现随意调节。
2.2 电磁阀静态性能仿真
电磁阀的静态性能主要指空载压力特性和空载流量特性,其更多的反映电磁阀系统本身的性质,与运行时间无关。电磁阀的空载压力特性指:负载端的流量为零时,负载压力与PWM信号占空比τ之间的关系;空载流量则是指负载端通油箱时,电磁阀的输出流量与PWM信号占空比τ之间的关系。
在仿真时,在PWM信号模块前用斜坡函数或者分段函数模块控制输入,即可模拟占空比τ从0～1的变化过程。在流量和压力传感器模块后依次接入2阶延迟模块和1阶延迟模块,进行滤波输出。仿真结果如图9所示。
通过分析以上曲线,可以得出:
(1)PWM信号在不同频率下,空载压力和空载流量均随占空比的变化而调节;
(2)随着PWM信号的频率增加,空载压力和空载流量受占空比调节的范围在减小;
(3)在PWM信号的频率较低时(文中为15 Hz),滤波后,空载压力和空载流量均呈现一定程度的波动,这在仿真研究由电磁开关阀作为电液控制元件组成的液压系统时,要考虑此种现象。
2.3 提高动静态性能的思路和方法
由上述仿真结果,为提高电磁开关阀的动态和静态特性,要求阀芯的运动与PWM控制信号能够尽可能的一致,即提高电磁铁衔铁的动作速度和释放速度。当电磁铁规格固定时,此时可以在外部线路的限流电阻上并联一个适当容量的电容器,即能够缩短电磁铁的动作时间。思路是:当PWM信号的高电平到来时,电路中电流由零开始增加,相当于电路中通过交流电,此时,由于电容器的存在,电流不经过限流电阻,而从电容器上流过,短时间内可使电流增加很快,使电磁铁的动作过程加速。虽然电流由于没经过限流电阻而变大,但由于PWM信号高电平的上升沿时间较短,线圈并不会烧坏,在高电平稳定后,电容不再起作用,电流的大小由电磁铁和限流电阻决定,不会对电磁铁的其他性能产生影响。
另外要使电磁铁在低电平时加速释放,可以增加进油压力,使复位力增加,但这需要综合权衡电磁铁的最大电磁吸力值,以防止动作时间反而变长。
本研究对在限流电阻上并联电容器的方法进行了仿真,对比研究动静态性能的变化。为使仿真具有一定现实意义,此处模拟使用工程上常见的铝电解电容器,电容量1 mF。并联电容器前后,电磁开关阀的动静态性能变化见如图10～11所示,图中各物理量符号含义同上。
经过对比仿真,由图10～11可知:当并联电容器后,阀芯的动作时间比没有并联电容器的情况,提前约2 ms,相对于PWM信号高电平持续时间20 ms,提高了约10%的动作时间,作用明显,同时释放时间基本没有变化。阀芯运动与PWM控制信号的跟随性得到了一定程度地提高,使空载压力和空载流量等静态特性也有明显的改善。表明这种通过在电路限流电阻上并联电容器,以提高电磁铁动静态特性的思路方法是可行的。
3 结束语
通过研究上述对电磁阀的动态特性和静态特性的仿真结果,可以得出:
(1)电磁开关阀的电磁铁线圈感应电流等电磁原因的存在,使得阀芯的开启和关闭均滞后于PWM的控制信号,随不同占空比τ不能够完全实现随意调节。
(2)在系统其他参数不变时,电磁开关阀的空载压力和空载流量特性曲线的斜率,以及受PWM信号占空比的调节范围,均受到PWM信号频率的影响。
(3)在限流电阻上并联电容器后,能够在一定程度提高电磁铁的动作速度,缩短动作时间,进而提高电磁阀的动态性能和静态性能。
综上所述,结合使用Ansoft和AMESim,可以较好地完成对电磁开关阀进行动态和静态特性方面的全面仿真分析,并且能够直观地对影响动静态特性的因素提出改进方法和思路,切实提高电磁开关阀的控制效率和控制精度,在实际工程应用上有一定的使用前景。
参考文献
[1]郜立焕,生凯章,周刚,等.新型高速数字开关阀为导阀的多路换向阀[J].兰州理工大学学报,2006,32(3):56-58.
[2]李玉贵,杨晓明,高学杰.PWM高速开关阀静特性研究[J].太原重型机械学院学报,2002,23(1):68-71.
[3]刘忠,刘卫萍,何谦.高速开关电磁阀动态响应建模与仿真[J].湖南师范大学自然科学学报,2009,32(3):53-57.
[4]刘少军,夏毅敏,郭淑娟,等.高速开关电磁阀的PWM控制及改进技术[J].机床与液压,1998(4):52-53.
[5]刘忠.液压脉冲宽度调制技术的应用研究[J].机械与电子,2006(4):38-40.
[6]苏明,陈伦军.基于AMESim的电磁高速开关阀动静态特性研究[J].液压与气动,2010(2):68-72.
[7]王杨彬,徐兵,刘英杰.基于Ansoft及AMESim的电磁铁动态特性仿真分析[J].机床与液压,2008,36(9):104-105,108.
电磁仿真软件 篇7
关键词：电磁场与电磁波,辅助教学,传输线,HFSS
随着航空航天、雷达、卫星通信、移动通信和大规模高速集成电路等技术的迅速发展, 电磁场与微波技术已成为电子信息领域发展的重点、热点。作为该专业最重要的基础课程之一[1], 电磁场与电磁波理论性强, 涉及数学知识较多、较深。同时, 电磁场与电磁波空间分布复杂, 具有不可见和不可感知的特点。如果按照传统的课堂教学方式, 必然面对大量繁冗复杂的数学推导, 难以得到直观的三维电磁场分布图形, 这种枯燥的教学方法不够直观, 无法激发学生的学习兴趣, 教学效果往往差强人意。
HFSS!High Frequency Structure Simulator, 是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件, 能够快速精确计算各种射频/微波部件的全波电磁特性, 是当今最为流行的微波/射频工程设计软件之一。在电磁场与电磁波教学过程中引入HFSS虚拟仿真, 通过HFSS设计模型、实例来讲解电磁场与电磁波的空间分布与传播。一方面可以帮助学生深刻理解教材的有关概念、理论;另一方面, 让学生提前接触、使用微波设计软件, 为今后的学习、工作积累工程经验, 增强学生综合素质。
1 Ansoft HFSS软件应用实例选择
场理论是电磁理论的基础, 对于任何电磁问题都可以采用场理论的方法进行分析。而较容易被理解和接受的路理论则是场理论在直流或者低频状态下的近似。电磁场与电磁波的教学任务之一就是帮助学生建立场和波的思想, 用场和路的思路来分析、理解电磁场与电磁波。如传输线相关的教学, 要使学生不囿于低频路的局限, 用场和波的思想来研究电磁场与电磁波在其中的传播。
传输线是微波电路与系统中的重要组成部分, 既是导引电磁场传播的媒质, 也是构成微波器件及电路的重要组成部分。受到高频电压或电流激励时, 传输线及其周围空间的电场和磁场将产生相应变化。传输线上的电压、电流变化与电场、磁场都遵守时变电磁场规律。当传输线的物理长度与导波长相比很小时, 可以采用分布参数电路理论, 建立传输线元的电流、电压电报方程来分析、求解[2]。在讲授该部分内容时, 发现纯理论的数学分析带给学生的只是一种抽象模型, 无法与具体的传输线联系起来, 难以理解传播相速、阻抗等参数的含义, 更谈不上传输线上电磁场的分布。为了给学生以更具体、形象的讲解, 笔者应用HFSS建立微带传输线模型, 并分别用演示了传输线中电场、磁场和电流静态分布和动态变化, 取得了较好的教学效果。
2 教学具体实施步骤
在教学过程中引入HFSS虚拟仿真, 主要步骤如下:
(1) 确定典型实例来求解实际电磁场与电磁波问题, 如选择微带线、半波振子等;
(2) 掌握HFSS软件各模块使用方法, 包括定性分析和定量计算及对计算结果的分析和研究;
(3) 修改原有教学文件, 增加电磁场与电磁波仿真实例, 使原来看不见、摸不着的场用形象的电流线、电场线甚至传播过程动态演示出来;
(4) 教学过程中, 复杂模型可以课前建好, 简单模型则可以课堂完成, 从而增加教学信息量, 提高学生电磁场与电磁波方面的工程经验。
3 微带传输线教学实例
讲解传输线时, 为了避免纯理论的数学分析, 笔者应用HFSS软件进行辅助教学。整个微带建模、仿真过程比较简单, 可以在课堂上通过多媒体设备演示, 如图1。
仿真完毕, 绘出传输线上的电流、电场和磁场分布, 如图2和3。通过设问, 让学生比较图2的电流和图3的电场、磁场分布与他们想象的是否一致, 加深学生对传输线的认识。可以看出, 传输线工作于高频时, 电场、磁场波长均可与传输线长度相比较, 集总电路的分析方法不再适用, 但可以像教材中利用分布参数建立微分模型, 其本质还是高频场理论在微结构中用路理论来等效[2]。另一方面, 比较电流与电场、磁场分布, 可以回顾传输线中传导电流是由信号导体与地之间介质中的位移电流 (电位移对时间的变化率) 转化而来的, 进一步通过具体图形来加深对位移电流的理解。
为了更逼真地讲解电磁波在微带中的传输过程, 还可以应用HFSS的动画功能, 演示电场、磁场随电磁波传播时的动态变化情况, 给学生以深刻的感性画面, 从而进一步激发学生学习电磁场与电磁波课程的兴趣。
4 结语
HFSS应用电磁场与电磁波课程辅助教学中, 可以形象刻画电磁场与电磁波的分布情况, 动态演示电磁场与电磁波的传播过程。由此不仅可以弥补部分学校微波实验设备的不足[3], 大大改善课堂教学效果, 激发课程学习兴趣;还可以通过课堂演示该微波软件的使用, 增强学生的工程实践经验, 提高学生的综合素质。
参考文献
[1]王蔷, 凌丹, 洪兴楠等.电磁场与微波通信教学实验新体系[J].实验技术与管理, 2005, (22) 110-113.
[2]谢处方, 饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京, 高等教育出版社, 2005
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