电器中电磁机械仿真常用软件与方法
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
引言
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]：
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）：
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。
参考文献
[1]姚建军，王伟宗，吴翊，等.低压电器仿真技术及其应用[J].低压电器，2009（7）：1-3.
[2]ANSYS， Inc. ANSYS help[C].2011.
[3]刘国强，赵凌志，蒋继娅.Ansoft工程电磁场有限元分析[M].北京：电子工业出版社，2005.
[4]王国强.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，2004.
作者简介：朱志豪（1985-），硕士，助理工程师，从事高压电器的产品研发。