作为矿下综采工作面泵站实现智能控制系统压力的核心元件，电磁卸荷阀及其电磁先导阀是集成供液系统实现智能化按需供液的关键所在，电磁卸荷阀动态响应的及时性、灵敏性和动作的可靠性、稳定性等因素会影响到泵站的供液质量、压力波动范围及系统的使用寿命和节能效果等[1]．尤其是电磁先导阀，其性能的好坏很大程度上决定了卸荷阀响应速度的快慢，而电磁铁的启闭响应动态特性是决定电磁先导阀性能好坏的关键因素．很多研究者对电磁铁进行了分析，魏列江等[2]针对负载和线圈匝数对高速开关电磁铁的响应时间展开研究，指出不同负载下存在满足唯一响应时间最短的线圈匝数．Liao等[3]针对本安型电磁阀电磁力小、动态响应慢的问题，分析了套筒长度、座长和凸台高度三个参数对电磁力和磁场的影响．刘钊等[4]对螺纹插装电磁换向阀电磁铁磁路进行了分析和优化设计，改善了该类电磁铁的力位移特性．董建麟等[5]采用多电压驱动控制对本安型电磁铁动态特性展开研究，仿真验证了多电压驱动方式提升动态特性的有效性．刘鹏等[6]分析了串并联永磁环对高速电磁阀电磁力的影响．柴玮锋[7]等分析了磁极形状对本安型电磁铁力位移动态特性的影响，指出短行程内平面形磁极电磁铁动态特性最优．满军等[8-9]对高压大行程高速开关电磁铁的动态特性展开了研究，分析了盘型基座结构对电磁铁动态特性的影响．目前对电磁铁动态特性研究多为驱动控制策略及参数影响分析，对新型结构提升动态性能的研究较缺乏．本研究设计永磁式本安型电磁铁结构，基于磁场分割法深入分析工作机理，通过尺寸参数的合理设计提高响应速度，改善电磁能量转换效率，并进行仿真对比分析，使之能够实现泵站智能控制系统灵敏可靠、按需供液的目标．1 本安型电磁铁动态特性理论分析1.1　本安型电磁铁组成电磁铁可分为普通电磁铁和本安型电磁铁，本安型电磁铁与普通的电磁铁相比，工作原理基本相同，但其功率更低，即限制了电压电流，本身就具有防爆性能，不需要专门的防爆外壳，适用于矿井下恶劣危险的环境，但存在驱动力小、动态响应性能差等缺点[10]．本研究针对平面型衔铁的螺管式电磁铁展开分析，电磁铁主体部分主要由衔铁、线圈、基座、推杆、导套和壳体等部分组成(见图1)，在衔铁与基座形成的工作气隙处有一个能够导磁的凸台结构，称为磁分路器．磁分路器结构能够使经过工作气隙的磁导分布发生变化，磁分路器与衔铁之间会产生磁通，从而大幅提高大气隙下的气隙磁导变化率，使电磁铁获得较为平坦的静态吸力特性，在提高响应速度的同时还能够延长使用寿命[11]．10.13245/j.hust.239186.F001图1本安型电磁铁三维结构图除主体部分外，还有包含驱动控制电路的配电块．电磁铁工作过程中涉及从电路、磁路到机械三个模块，相邻模块之间会相互影响[12]．若电磁铁的结构尺寸参数均不变，电磁铁的静态吸力特性仅由其线圈电流的稳态值和工作气隙长度及衔铁位移所决定，而在衔铁运动过程中电磁铁产生的动态电磁力则与静态电磁力的数值有所差异，还跟衔铁的运动速度、加速度等一些运动参数有关．本安型电磁铁的线圈电感很大，其吸合和释放过程中所表现出来的动态特征更为明显．1.2　动态特性电磁铁的动态特性通常包括电磁铁的电磁吸力Fc、线圈电流i、磁路磁链Y、衔铁位移x及其速度v和加速度a随时间而变化的关系．电磁铁通电后，其动态过程可由以下微分方程表示．a. 线圈回路方程U=iR+Ldidt+vidLdδ,式中：U为线圈回路电压；R为线圈绕组电阻；L为磁路总电感；t为时间；δ为损耗角．b. 电磁铁运动学方程Fc=m(d2x/dt2)+fM(x)+fV(dx/dt)，式中：m为衔铁质量；fM(x)为与衔铁位移有关的负载力；fV(dx/dt)为与衔铁运动速度有关的阻尼力．c. 电磁铁吸力方程Fc=-(uδ2/2)(dGδ/dδ),式中：uδ为工作气隙上的磁势；Gδ为工作气隙磁导．d. 气隙磁势方程uδ=(Rδ/Rt)iN，式中：Rδ为气隙磁阻；Rt为磁路总磁阻；N为线圈匝数．当气隙较大时，工作气隙磁阻占总磁阻的绝大部分，此时可以认为工作气隙磁势约等于总磁势，即uδ=iN．电磁铁的动态响应性能可以用电压激励信号与衔铁位移随时间变化关系之间所表现出来的延时性来表示．如图2所示，电磁铁的延时性由开启滞后时间to1、开启动作时间to2、复位滞后时间tc1和复位动作时间tc2共四个延时时间构成．10.13245/j.hust.239186.F002图2本安型电磁铁动作时序图电磁铁通电后，衔铁运动有一段开启滞后时间，在这段时间内衔铁的运动速度为零．根据电磁铁吸力方程式，得到开启电磁铁的最小电流Ic=(1/N)2FI/(dGδ/dδ)，式中FI为初始位置时的负载力．电磁铁的开启滞后时间to1=N2GRlnU/U-RN2FLdGδ/dδ.从上式中可知：减小线圈匝数、减小磁路总磁导、增大气隙磁导变化率、减小负载力等措施，都能够减少电磁铁的开启滞后时间，加快其开启响应速度．随着线圈电流的增大，电磁力开始克服负载力使衔铁运动，衔铁运动至电磁铁完全开启的时间称为开启动作时间(to2)．衔铁的运动反过来会影响电磁铁的磁路磁链，在驱动电路中引入反电动势，导致工作电流出现下降．此时电磁力也会有一定下降，从而影响电磁铁的开启动作响应；因此，减小负载力、通过结构改进影响电磁铁磁路走向等措施，能够减少电磁铁的开启动作时间．电磁铁断电后，由于电感的存在，因此衔铁运动有一段复位滞后时间tc1，tc1=(N2G/R)lnIhN/2FL/dGδ/dδ．从上式中可知：减少线圈匝数、增大电磁铁的负载力、减小气隙磁导变化率等措施，能够减小先导阀的复位响应时间．随着线圈电流的减小，负载力作为驱动力开始克服电磁力使衔铁运动，衔铁运动至电磁铁完全关闭的时间称为复位动作时间(tc2)．此时衔铁的运动同样影响电磁铁的磁路磁链，在驱动电路中引入反电动势，导致工作电流出现上升，引起电磁力的增大而影响电磁铁的复位动作响应．因此，增大负载力、减轻衔铁运动质量、减小电磁铁运动行程等措施，能够减少电磁铁的复位动作时间．由以上分析可知：减小负载力可以减少开启响应时间，但会增加复位响应时间；减少线圈匝数能够减小线圈电感从而减少复位响应时间，但会减小电磁力从而增加开启响应时间．这些措施对于开启和复位响应时间的影响是矛盾的，并不能改善本安型电磁铁的动态响应性能，须要从电磁铁磁路方面进行改进，即：重构优化磁源，改善电磁力特性曲线，提高电磁力增长速率．2 磁路分析与磁源重构优化2.1　本安型电磁铁磁路模型当电磁铁线圈通电时，其磁通路径如图3所示，整体上磁通经过由壳体形成的外磁极、由基座形成的内磁极和磁轭、衔铁与基座间的工作气隙和导套与衔铁运动间隙的非工作气隙，形成闭合回路．其中Фδ为从衔铁穿过工作气隙到基座的磁通，包括衔铁平面位置磁通和边缘位置到基座凸台的磁通；Фf为从导套到基座凸台的边缘磁通；Фσ为从内磁极到外磁极的径向漏磁通；Фm为经永磁环穿过基座的闭合磁通．10.13245/j.hust.239186.F003图3电磁铁磁路示意图2.2　磁源重构优化在线圈右侧，衔铁吸合侧添加一块径向磁化环形永磁体，材料选用NdFeB稀土永磁材料，称为永磁式本安型电磁铁，永磁体参数如下：相对磁导率为1.04，剩磁为1.30 T，电导率为6.25×105 S/m，矫顽力为955 kA/m，密度为7 550 kg/m3，弹性模量为1.47×1011 N/m2，磁化方向为径向．永磁式电磁铁中由永磁体产生的磁通路径如图4所示．一部分是经壳体、基座后回到永磁体的闭合磁通Ф1，另一部分是经壳体、导套、衔铁、工作气隙、基座后再回到永磁体的闭合磁通Ф2．由于工作气隙的磁阻相对于铁磁介质更大，因此当电磁铁断电时，永磁体产生的磁通大部分会经过壳体和基座后回到永磁体，也就是闭合磁通Ф1．闭合磁通Ф2只占永磁体产生的总磁通的很小一部分，因永磁体的存在而产生电磁吸力很小，对电磁铁的复位过程影响非常小，在先导阀弹簧复位力的作用下电磁铁不会产生自锁现象．当电磁铁通电时，永磁体的磁化方向与线圈产生的磁极方向相同，永磁体大部分磁力线经壳体、导套、衔铁、工作气隙、基座后再回到永磁体，与励磁线圈叠加组成磁通Ф2穿过衔铁，闭合磁通Ф1占永磁体产生的总磁通的占比减小．穿过衔铁的磁通增大，电磁力上升速率增大，减小衔铁的开启滞后响应时间；电磁吸力增大，加快衔铁的吸合速度，提高电磁铁的动态响应性能．10.13245/j.hust.239186.F004图4永磁式电磁铁简化磁路示意图3 电磁仿真对比分析3.1　有限元模型建立通过麦克斯韦有限元电磁仿真软件对新型结构做对比仿真验证，为减少计算时间，取对称结构电磁铁的一半部分，建立二维仿真模型(见图5)并进行自适应网格划分[13]．仿真模型中各部分所用材料如下：衔铁为电磁纯铁DT4C，导套、基座、壳体为低碳钢1010，推杆为不锈钢304，线圈为铜，线圈骨架为环氧酚醛玻璃布，永磁体为NdFeB．10.13245/j.hust.239186.F005图5电磁铁麦克斯韦二维模型对比图3.2　静态特性仿真利用麦克斯韦仿真软件分别对非永磁式本安型电磁铁及永磁式本安型电磁铁进行静态电磁仿真[14]，得到非永磁式电磁铁及永磁式电磁铁的磁力线分布对比图(图6)和磁感应强度对比云图(图7)．10.13245/j.hust.239186.F006图6磁力线分布对比图(A/(10-6 Wb))10.13245/j.hust.239186.F007图7磁感应强度云图(B/T)从图6和图7可以看出磁力线集中分布于线圈周围，在磁分路器处及衔铁端部靠近磁分路器的位置，磁感应强度最大．永磁式本安型电磁铁在初始开启位置的最大磁感应强度达到2.82 T，比非永磁式本安型电磁铁的最大磁感应强度2.54 T增大9.9%；在结束闭合位置，永磁式本安型电磁铁的最大磁感应强度为2.12 T，与非永磁式本安型电磁铁的最大磁感应强度2.17 T比较接近(小2.4%)；而无论在开启位置或者闭合位置，永磁式电磁铁最大磁通均大于非永磁式电磁铁，平均大14.1%．因此永磁式电磁铁电磁力更大，开启响应速度更快，但在闭合位置更大的电磁力会延长回复响应时间，根据吸合位置的磁感应强度大小可知影响较小，整体的动态特性优于非永磁式电磁铁，这与上文磁路分析结果一致．具体的电磁铁运动特性须要进一步根据动态仿真得出．3.3　动态特性仿真根据电磁铁中的运动部件衔铁、推杆尺寸和所选用材料的密度计算出质量，然后设置运动域的参数(惯性质量为0.088 kg，负载力为10 N)，建立驱动电路的模型，并将其与电磁铁仿真模型中的线圈相关联，进行电磁铁的动态特性仿真计算[15]．根据不同厚度永磁体开启与复位过程的电磁力F随时间t变化曲线(图8)和位移s随时间t变化曲线(图9)，分析不同厚度永磁体对电磁铁动态特性的影响规律，得到最优条件参数．10.13245/j.hust.239186.F008图8不同厚度永磁体电磁力随时间变化曲线10.13245/j.hust.239186.F009图9不同厚度永磁体电磁铁运动位移随时间变化曲线可以看出电磁铁电磁力随着永磁体厚度的增加而增大，这有利于电磁铁的开启，但会在电磁铁断电后出现过大剩磁，如图8(b)所示，永磁体厚度在6 mm以上时剩磁力在8 N以上，这对回复过程的影响较大．从图9的位移变化曲线中也可以看出：剩磁引起永磁体厚度为7 mm的电磁铁回复响应时间过大，并且在回复过程中发生了比较严重的往复震荡，动态特性很差，而永磁体厚度为8 mm的电磁铁无法正常完成闭合动作．永磁体厚度不大于6 mm的电磁铁剩磁力趋于0 N，对电磁铁复位过程影响较小，因此须要在保证不产生过大剩磁的情况下选取厚度尽量大的永磁体，厚度4，5，6 mm的永磁体产生剩磁均很小，这三种情况下的回复响应时间类似，但在开启过程中永磁体厚度为6 mm的电磁铁电磁力增长速率更大，开启响应时间也更短，动态特性最优．根据以上分析，选定永磁体厚度为6 mm，并将该条件参数下的永磁式本安型电磁铁与非永磁式电磁铁进行对比，得到开启与复位过程的电磁力-时间变化曲线(图10)和位移-时间变化曲线(图11)．10.13245/j.hust.239186.F010图10电磁力随时间变化曲线10.13245/j.hust.239186.F011图11电磁铁运动位移随时间变化曲线从图10中可以看出：电磁力大小在负载力为10 N附近的位置会有一段起伏震荡，这与前文理论分析结果一致，衔铁的运动会影响电磁铁的磁路磁链，在驱动电路中引入反电动势，导致工作电流出现变化，进而引起电磁力的变化，并且永磁式本安型电磁铁在线圈通电状态的工作气隙位置磁通比非永磁式电磁铁增长较多，因此永磁式本安型电磁铁在开启过程的电磁力增长速率大于非永磁式电磁铁，同时最大电磁力比非永磁式电磁铁大6.9%．但在线圈断电状态仍有部分永磁体磁源产生的磁通通过工作间隙引起复位状态的电磁阻力大于非永磁式电磁铁，因此在复位过程的电磁力衰减速率与非永磁式电磁铁基本相同，但电磁力略大，而这对电磁铁的回复响应特性略有影响．从图11(a)可以看出：永磁式本安型电磁铁的开启时间为73 ms，其中开启滞后时间为35 ms，开启动作时间为38 ms；非永磁式本安型电磁铁的开启时间为93 ms，其中开启滞后时间为50 ms，开启动作时间为43 ms．永磁式本安型电磁铁的开启滞后时间比非永磁式电磁铁减少15 ms，开启动作时间减少5 ms，总开启时间减少20 ms，降低21.5%．从图11(b)中可以看出：永磁式本安型电磁铁的复位时间为63 ms，其中复位滞后时间为47 ms，复位动作时间为16 ms；非永磁式本安型电磁铁的复位时间为57 ms，其中复位滞后时间为42 ms，复位动作时间为15 ms．永磁式本安型电磁铁的复位滞后时间比非永磁式电磁铁增加5 ms，复位动作时间增加1 ms，总复位时间增加6 ms，提高10.5%．可以看出由磁源重构优化改进后的永磁式本安型电磁铁的开启响应性能得到明显改善，但同时也因永磁体的引入导致电磁力的增大，从而复位响应时间比非永磁式电磁铁大，而整体的动态响应性能更佳，比非永磁式电磁铁提高9.3%．4 结论针对本安型电磁铁动态响应性能差的问题，本研究对本安型电磁铁动态特性进行理论分析，建立了本安型电磁铁等效磁路模型，提出一种永磁式本安型电磁铁新结构，并对改进前后的电磁铁进行静、动态性能仿真对比分析，结论如下．a. 本研究建立了本安型电磁铁等效磁路模型，计算分析了电磁铁的吸力特性，并通过磁源重构的方法提出一种永磁式本安型电磁铁新结构，新型电磁铁具有更大的电磁力和更好的动态响应性能．b. 永磁式本安型电磁铁结构中的永磁体的厚度对电磁铁的动态特性影响较大，过厚的永磁体会产生较大磁场力，对电磁铁的复位过程产生较大影响，过薄又会对电磁铁动态性能优化效果不明显．通过对多组永磁体厚度对比分析，得到6 mm厚的永磁体对提升本研究中尺寸参数的本安型电磁铁动态性能的效果最优．c. 从动态仿真分析结果可以看出永磁式本安型电磁铁的开启响应特性明显优于非永磁式电磁铁，但复位响应特性略差，整体动态响应性能提高9.3%；并且该结构简单，易于控制，可应用于本安型电磁先导阀，具有工业推广价值．未来将通过电磁铁多参数匹配优化，引入相关优化算法进行多次仿真对比分析，并搭建实验平台对永磁式本安型电磁铁的动态性能进行试验验证．