长行程直流电磁铁电磁力仿真分析与实验研究
摘要： 为了满足设备在不同位移下对电磁力的需求，本文以某一型号长行程直流电磁铁为研究对象，构建了电磁铁各组成部分三维模型，借助麦克斯韦方程组相关理论，结合约束条件与初始条件，搭建电磁铁三维数学模型。同时，进行电磁铁静态磁场仿真分析，获取电磁力、磁感应强度、磁力线分布特性，并通过实证研究进行验证。实验结果表明，铁心位移越小，径向气隙越小，产生漏磁越小，获得的电磁力越大，铁心在靠近底面端面时，力位移特性较好；仿真数据与实验数据具有较高的一致性，并能有效获取磁感应强度和磁感线分布特征，实现电磁场磁场可视化效果，所搭建仿真模型具备可行性。该研究为长行程电磁铁电磁力分析提供理论和实验依据。
关键词： 直流电磁铁； 磁场特性； 仿真分析； 实验验证
中图分类号： TM574.2文献标识码： A
电磁铁作为一种将电能转换为机械能的结构，应用十分广泛，其电磁力与行程之间的关系是其重要应用特性。电磁铁工作时线圈通电产生磁场，进而产生电磁力，从而对外部连接的执行机构输出做功，是一种将电能转换为机械能的结构，应用领域广泛[12]。其基本特征是电磁力与线圈电流成正比，而与铁心行程成反比。电磁铁的设计应首先考虑电磁计算、电磁铁行程、通电率、温升、对电磁铁的保护措施和使用环境等[3]。为了满足设备在不同位移下对电磁力的需求，对电磁力与位移精确对应关系的研究非常重要。目前，对电磁铁的研究主要侧重于电磁阀和比例电磁铁的特性分析[45]，以及对高频短行程的研究，而长行程电磁铁方面的研究较少。电磁铁作为装置中的核心部件，起关键性的作用，对其要求体积小、吸力大，只有螺线管电磁铁具有该特点。目前，还没有较好的电磁铁设计方法，其理论值和实验数据差距较大。因此，针对某一型号螺线管电磁铁，本文以麦克斯韦电磁理论为基础，建立等效磁路模型，并结合仿真分析与实验研究，对铁心不同位移下电磁力数据进行对比分析，验证所搭建仿真模型的有效性。该研究具有广阔的应用前景。
1长行程直流电磁铁结构原理
长行程直流电磁铁结构原理如图1所示，其主要由铁心、线圈、外壳、线圈骨架等组成。线圈绕制在线圈骨架上，并一同置于外壳内部，骨架起到为铁心导向的作用。铁心与外壳材料均采用高纯度工业纯铁DT4材质，骨架则由非导磁材料制成。
电磁铁线圈通电后，线圈周围产生磁场，铁心和外壳被磁化，线圈产生的磁力线经过外壳、铁心、气隙形成闭合回...
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