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本质安全型电磁铁的优化设计

刘玉萍  
【摘要】:综采时代要求开发和应用新技术,研制出高性能、高可靠性的液压支架,新型的液压支架普遍具有电磁铁驱动的电液控制阀,以实现支架的自动动作。电液控制阀的使用提高了液压支架的自动控制水平和煤矿的生产效率。 电液控制阀由电磁先导阀和液控主阀组成,根据液压支架的所需功能不同,液压支架配备不同数量的电液控制阀控制液压支架的动作油缸,从而实现升降柱、推溜、拉架、移架等动作。目前煤矿使用的电液控制阀大部分依赖进口,维修成本和维修周期长。设计并制造出可靠的国产产品势在必行。 近几年关于本质安全型电磁阀和电磁铁的研究方法大部分集中在数值分析和有限元分析方面,且仿真多为静态磁场的仿真,关于暂态磁场仿真和温度场的研究较少,尚未掌握本质安全型电磁铁的设计理论。本文在分析传统的电磁铁设计方法的基础上,对传统的设计方法有所改进,融合了有限元软件仿真和优化设计方法,对电磁先导阀的国产化有一定的推动作用。 首先通过分析某成熟产品得出本质安全型电磁铁经验参数的选取原则。再结合电磁铁的初算公式设计一电磁铁,并通过优化设计及有限元仿真等环节,对部分尺寸做了分析和调整,得到最终的本安型电磁铁。最后通过试验验证设计的准确性和产品的可靠性。优化设计过程中选择电磁铁的最小能耗和最小体积为目标函数,选择线圈的温升、电磁铁的几何尺寸和电磁吸力等约束条件,优化设计电磁铁。 利用Ansoft maxwell2D/3D电磁有限元分析软件,进行了电磁铁的静态仿真、动态仿真和温度场仿真,得到了电磁铁的静态吸力曲线、动态力曲线、位移曲线、线圈电流变化曲线和衔铁运动速度曲线。温度场仿真的结果得到线圈温度场分布,通过改变部分结构尺寸,分析电磁铁性能对于关键尺寸的敏感性。并利用AMESim软件仿真电液控制阀,验证所设计电磁铁是否满足性能指标要求。 直流螺线管式电磁铁的磁路结构复杂,理论计算没有考虑导磁体的非线性和铁心的涡流和损耗,仅靠理论计算较难得到准确的电磁铁的性能参数,仿真是将产品理论样机进行的仿真,而电磁铁的材料、加工误差同样影响产品的性能,使其与设计值有所偏差。为了验证电磁铁的实际性能,本课题利用位移、力、加速度传感器与NI数据采集系统结合的测试方法。通过电磁铁静态性能试验、动态性能试验,验证了电磁铁设计的准确性,最终得到的电磁吸力与理论设计值有较小的偏差。 本课题不仅得到了某电磁铁的优化设计结果,也优化了设计方法本身,得到的结论同样适用于其他的小功率螺线管式电磁铁。


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