带磁流体的电磁驱动器特性分析及其优化设计

发布时间：2018-01-30 09:08

  本文关键词： 电磁驱动 磁流体 流体力学 动力学 有限元分析 优化设计　出处：《广西科技大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：粉粒物料运输车自动卸料系统所用的电磁驱动器,要求其驱动力较大,且安装空间有限,这些条件决定了电磁驱动器的改进方向为驱动力更大、体积更小。电磁驱动器的性能特点主要体现在其驱动力、响应时间以及其尺寸和重量几方面。对电磁驱动器的改进研究目的就是使其驱动力更大,尺寸更小,响应时间的需求则要满足电磁驱动器安装场合要求。电磁驱动器的尺寸设计方法已经比较成熟,但由于磁漏的不可避免,现有的电磁驱动器结构设计已经很难再提高其性能,需运用其他方法对电磁驱动器进行改进。磁流体即具有液体的流动性,又具有固体磁性材料的特性,将其加入电磁驱动器工作间隙的介质中,整个电磁驱动器磁路的磁阻就会降低,对磁路的利用率就会增加,电磁驱动器的性能就会大幅度提高。利用麦克斯韦吸力公式建立基本方程来建立电磁驱动器的数学模型,由吸力数学模型可得出电磁力与介质磁导率的关系以及在不同的介质磁导率下电磁力随衔铁位移的变化关系。电磁驱动器的响应时间则可利用动力学方程来计算,将动力学方程整合后输出Matlab解出数值解即可得衔铁位移与时间的关系图,由此确定电磁驱动器的响应时间。同时由类似方程求解出未加入磁流体的电磁驱动器的衔铁位移与时间的关系图,可对比出带磁流体的电磁驱动器的性能差别。利用有限元分析软件Ansys对电磁驱动器进行有限元参数化分析。针对其他参数相同的电磁驱动器,当衔铁与轭铁之间的介质磁导率不同时,求解出响应的吸力大小,对数值计算结果进行复核。电磁驱动器的优化设计将其体积作为目标函数,经过对电磁力及磁感应强度的公式推导,建立其体积优化设计的数学模型,运用网格搜索法对电磁驱动器的尺寸结构进行优化。通过对带磁流体的电磁驱动器的数值模拟以及有限元分析,得出加入磁导率相对于空气更大磁流体后,电磁驱动器的吸力会大幅度增加,同样输出力的加入磁流体的电磁驱动器相对于传统电磁驱动器拥有更少的线圈匝数,故能达到减小装置尺寸的目的,但加入磁流体的电磁驱动器的动作时间比较长,结构比较复杂。经过优化设计后的电磁驱动器既能满足其性能要求,又能符合体积最小的优化设计准则。
[Abstract]:The electromagnetic driver used in the automatic unloading system of the powder material transport vehicle requires a large driving force and limited installation space. These conditions determine that the direction of improvement of the electromagnetic driver is more driving force. The performance of electromagnetic actuator is mainly reflected in its driving force, response time, size and weight. The purpose of improving electromagnetic driver is to make its driving force larger and its size smaller. The response time needs to meet the requirements of the electromagnetic actuator installation. The size of the electromagnetic driver design method has been more mature, but due to the inevitable flux leakage. The existing electromagnetic actuator structure design is difficult to improve its performance. Other methods should be used to improve the electromagnetic actuator. The magnetic fluid has not only the fluidity of liquid but also the characteristics of solid magnetic material. By adding it into the medium of the working gap of the electromagnetic actuator, the magnetoresistance of the whole magnetic circuit of the electromagnetic driver will be reduced, and the utilization ratio of the magnetic circuit will increase. The performance of electromagnetic actuator will be greatly improved. The mathematical model of electromagnetic actuator is established by using Maxwell's suction formula to establish the basic equation. From the mathematical model of suction force, the relationship between electromagnetic force and permeability of medium and the relation between electromagnetic force and armature displacement under different medium permeability can be obtained. The response time of electromagnetic actuator can be calculated by using dynamic equation. . The relationship between armature displacement and time can be obtained by solving the numerical solution by integrating the dynamic equation with Matlab. From this, the response time of the electromagnetic actuator is determined. At the same time, the relation diagram of armature displacement and time of the electromagnetic actuator without magnetic fluid is solved by the similar equation. The performance of electromagnetic actuator with magnetic fluid can be compared. The finite element parameterization analysis of electromagnetic actuator is carried out by using finite element analysis software Ansys, and the electromagnetic actuator with the same other parameters is analyzed. When the permeability of the medium between armature and yoke is different, the size of the response suction is calculated, and the numerical results are checked. The optimal design of the electromagnetic actuator takes its volume as the objective function. The mathematical model of the volume optimization design of electromagnetic force and magnetic induction intensity is established by deducing the formula of electromagnetic force and magnetic induction intensity. Through the numerical simulation and finite element analysis of the electromagnetic actuator with magnetic fluid, it is concluded that the magnetic permeability is larger than that of the air. The suction of the electromagnetic actuator will be greatly increased, the same output force with the addition of magnetic fluid electromagnetic driver has fewer coil turns than the traditional electromagnetic driver, so it can achieve the purpose of reducing the size of the device. However, the electromagnetic actuator with magnetic fluid has a long action time and a complex structure. The optimized electromagnetic actuator can not only meet its performance requirements, but also meet the optimal design criterion of minimum volume.
【学位授予单位】：广西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH237

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本文编号：1475853