作动器仿真设计解决方案

发布于：2022-10-16 16:52:16 来自：电气工程/电气工程原创版块 [复制转发]

知识点：旋转电作动器

一、电磁分析及优化设计

ANSYS Maxwell的静态或者瞬态求解器可以完成作动器二维和三维电磁场分析。通常情况下，在静态仿真中把线圈的形状、匝数和线径以及几何尺寸等参数设为参数化变量，改变线圈电流和衔铁位置而输出一组反映力和位置的曲线。由于Maxwell使用了自动自适应网格剖分技术，变量的参数化/优化扫描变得非常的容易。

除了静态方法以外，使用Maxwell瞬态求解器，可以仿真在考虑了电气控制和机械负载的条件下，衔铁到达闭合位置的速度问题。例如：外加激励电压源为任意波形（或者使用Maxwell自带的circuit editor工具），同时考虑材料的非线性，考虑机械的运动方程（包含了阻尼、负载力，而且它们都可以是关于位置、速度或者时间的函数），考虑电涡流和磁扩散，其仿真结果如下图所示。

图：采用Maxwell自带的外电路编辑器实现斩波电流激励瞬态仿真结果：位置波形、线圈电流和二极管电流波形

图：基于瞬态电磁分析优选满足负载力要求的设计方案

图：基于瞬态电磁分析优选满足闭合时间要求的设计方案

二、电磁、热耦合分析

Maxwell瞬态电磁场仿真分析得到的线圈和铁芯损耗，可通过ANSYS Workbench环境映射到ANSYS Mechanical或者ANSYS CFD（计算流体动力学）软件Fluent中做热分析。其耦合方式包括：电磁场分析得到的总损耗空间分布映射到Fluent热模型，通过精确考虑复杂散热环境，包括对流和传导，直接计算各部件的温升，并将温度数据反馈回Maxwell中修改材料的温度属性，而后重新计算损耗，如此双向耦合反复迭代，得到作动器线圈和铁芯等部件稳态温度；在Mechanical温度场计算中采用简单设置，即直接定义传热系数，或者此传热系数由Fluent计算得到，再通过电磁-热瞬态热性能和热循环分析迭代多次后，得到作动器的稳态温度，此流程的仿真计算速度要比在Fluent中直接计算温升快，且仿真精度大大提高。

图：Maxwell和Mechanical电磁-热双向耦合温度分布（简单设置的换热系数 VS Fluent计算的换热系数）

三、系统设计

作动器设计除了需要精确考虑其电磁和多物理域耦合特性外，还需要考虑其供电和控制电路集成。ANSYS Twin Builder（以前称ANSYS Simplorer）既可以实现行为级作动系统设计，快速分析其性能；也可以通过与Maxwell协同仿真（考虑材料的非线性、电涡流和磁扩散等效应），或者通过降价模型（仅考虑作动器位置和电流参数化扫描关系，忽略线圈的涡流效应）接口，实现高精度物理原型级作动系统设计，精确分析其性能。下图展示Twin Builder平台多层次建模功能以及高精度作动系统设计模型：设备级的电力电子器件、闭环控制系统、精确的二维或者三维作动器模型、以及机械或者液压负载等；驱动电路与Maxwell有限元模型瞬态链接实现协同仿真；机械管脚直接连接定义重量、力、弹簧和停止位限制的装置等。

图：Twin Builder行为级模型可替换为高精度物理模型

图：Twin Builder与Maxwell、Fluent协同仿真实现高精度作动系统设计

ANSYS作动器设计解决方案既提供了电磁场有限元分析和优化设计工具，能实现作动器静态、瞬态磁场分析和性能优化；也提供了静态热和瞬态流体热分析工具，能够实现电磁-热双向耦合分析；还提供了电路和系统设计工具，能够实现从行为级到物理原型级，多层次、高精度作动系统设计，可以帮助用户高效实现无缝集成的作动器多物理域集成化设计流程，通过高精度仿真，最大限度的减少制作样机次数，缩短开发周期，降低开发成本，有利于用户在激烈竞争中脱颖而出。

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