作動器，或者叫螺線管，是一(yī)種通電(diàn)産生(shēng)磁場來控制銜鐵實現理想力矩和位移的設備。銜鐵爲鐵磁物(wù)質，受到磁場作用後産生(shēng)吸力并把電(diàn)能轉化成機械能，用于對負載的速度、方向、位移、力進行控制。
作動器，有時候也稱爲制動器、電(diàn)磁閥、電(diàn)磁鐵等，其應用領域很廣，如燃料噴射器（油閥的電(diàn)磁閥）、電(diàn)能分(fēn)配器（斷流器、斷路器、繼電(diàn)器、接觸器等）、各種汽車(chē)、液壓工(gōng)業應用等。
公司針對作動器電(diàn)磁分(fēn)析和性能優化、溫升與形變、結構應力分(fēn)析、控制系統集成等設計需求，提供電(diàn)磁、結構、流體(tǐ)、控制等多物(wù)理集成化設計解決方案，解決作動器的設計問題。
作動器的結構形式有很多，但工(gōng)作原理基本相同，典型的電(diàn)磁作動器包含一(yī)個繞制在鐵極片的多匝線圈和一(yī)個可移動的銜鐵。此外(wài)，外(wài)殼框架的鐵心部分(fēn)，爲磁通提供閉合回路，圖2展示了框架、磁極片、線圈和銜鐵的幾何結構。
當電(diàn)磁作動器連接上電(diàn)壓源時，線圈中(zhōng)通過電(diàn)流并産生(shēng)磁通形成磁力，驅動銜鐵從開(kāi)啓位置移動到閉合位置。有些電(diàn)磁作動器可采用永磁體(tǐ)來輔助建立磁通，或者幫助銜鐵在線圈電(diàn)壓關斷時保持在一(yī)定的位置，例如： 音圈作動器使用永磁體(tǐ)産生(shēng)磁通和線圈電(diàn)流相互作用，使線圈中(zhōng)産生(shēng)洛倫茲力。這些設備可能是二維或者三維結構，運動部件可能是旋轉運動或者是非圓柱運動（如搖杆擺動）。
作動器中(zhōng)的銜鐵、磁極片和框架均爲鐵磁材料，建模時考慮了非線性B-H曲線飽和效應對設備性能的影響。銜鐵形狀和尺寸的設計，以及與磁極片的匹配都會影響作動器關閉時刻的力能指标。另外(wài)，線圈的設計決定了其電(diàn)阻和電(diàn)感值，尤其是電(diàn)感，因爲它正比于線圈匝數的平方乘以非線性鐵磁材料和空氣氣隙的總磁阻。L/R的比值爲設備的電(diàn)氣時間常數，這個值決定了線圈中(zhōng)電(diàn)流上升的速度，而設備中(zhōng)磁場建立的速度取決于電(diàn)渦流，因而電(diàn)磁擴散時間也會影響作動器性能。
在線圈電(diàn)流快速上升期間，磁通擴散到作動器的整個磁路前，集中(zhōng)分(fēn)布在作動器的内表面上，這會延遲了銜鐵電(diàn)磁力的建立時間，從而延遲了閉合時間。同理，當外(wài)加電(diàn)壓源關斷後從設備上撤銷磁場時，由于殘磁的存在也會延遲作動器銜鐵的重新打開(kāi)時間。随着時間推進，磁場穿過設備壁厚，銜鐵受力增加，最後，一(yī)旦受力克服了彈簧和負載反作用力後銜鐵閉合。因此，磁極形狀、材料和線圈設計也将直接影響到磁擴散過程，進而影響到作動器閉合時間。Maxwell 瞬态場求解器可分(fēn)析上述電(diàn)渦流後局部磁場擴散過程。
Maxwell的靜态或者瞬态求解器可以完成作動器二維和三維電(diàn)磁場分(fēn)析。通常，在靜态仿真中(zhōng)把線圈的形狀、匝數和線徑以及幾何尺寸等參數設爲參數化/優化變量，改變線圈電(diàn)流和銜鐵位置而輸出一(yī)組反映力和位置的曲線。由于Maxwell使用了自動自适應網格剖分(fēn)技術，從而使變量的參數化/優化掃描變得非常的容易。
除了靜态方法以外(wài)，使用Maxwell瞬态求解器可以仿真在考慮了電(diàn)氣控制和機械負載條件下(xià)，銜鐵到達閉合位置的速度問題。例如：外(wài)加激勵電(diàn)壓源爲任意波形（或者使用Maxwell自帶的circuit editor工(gōng)具），同時考慮材料的非線性，考慮機械的運動方程（包含了阻尼、負載力，而且它們都可以是關于位置、速度或者時間的函數），考慮電(diàn)渦流和磁擴散等。
作動器絕大(dà)多數采用軟磁材料作爲導磁路徑。由于軟磁材料BH回線較窄，矯頑力較小(xiǎo)，在計算電(diàn)磁性能時，通常采用初始磁化曲線計算BH工(gōng)作點。但是，當作動器線圈斷電(diàn)時後，磁場不會降爲0，會出現剩磁現象，因而會直接影響到作動器電(diàn)磁力和閉合時間計算。Maxwell可通過矢量磁滞材料建模功能，真實地考慮作動器軟磁材料特性，精确地分(fēn)析軟甲材料的剩磁效應，從而精确地計算作動器磁場擴散、電(diàn)磁力、閉合時間等瞬态電(diàn)磁特性。
Maxwell瞬态電(diàn)磁場仿真分(fēn)析得到的線圈和鐵芯損耗，可通過ANSYS WB環境映射到Mechanical或者CFD（計算流體(tǐ)動力學）軟件Fluent中(zhōng)做熱分(fēn)析，如圖8所示。其耦合方式包括：電(diàn)磁場分(fēn)析得到的總損耗空間分(fēn)布映射到Fluent熱模型，通過精确考慮複雜(zá)散熱環境，包括對流和傳熱，直接計算各部件的溫升并将溫度數據反饋回Maxwell中(zhōng)修改材料的溫度屬性并重新計算損耗，如此雙向耦合反複叠代，得到作動器線圈和鐵芯等部件穩态溫度；在Mechanical溫度場計算中(zhōng)采用簡單設置，即直接定義傳熱系數，或者此傳熱系數由Fluent計算得到，再通過電(diàn)磁-熱瞬态熱性能和熱循環分(fēn)析叠代多次後得到作動器的穩态溫度，此流程的仿真計算速度要比在Fluent中(zhōng)直接計算溫升快，且仿真精度大(dà)大(dà)提高。
作動器在裝配過程中(zhōng)的偏心問題将會影響在作動器的整體(tǐ)性能。如銜鐵偏離(lí)中(zhōng)心，會導緻側向電(diàn)磁力，并造成軸承表面過度摩擦。同時，偏心可能是整體(tǐ)偏心，也可能是軸向偏心，也可能是軸向傾斜。ANSYS Maxwell可以通過雲圖或者矢量圖的方式顯示在任意位置、電(diàn)流密度下(xià)的力密度分(fēn)布。
作動器在啓動工(gōng)況和最大(dà)行程工(gōng)況時的結構強度及其固有頻(pín)率系統的性能也有很大(dà)的影響，ANSYS Workbench 同樣可準确分(fēn)析作動器不同工(gōng)況下(xià)的結構強度和固有頻(pín)率。
作動器設計除了需要精确考慮其電(diàn)磁和多物(wù)理域耦合特性外(wài)，還需要考慮其供電(diàn)和控制電(diàn)路集成。Simplorer既可以實現行爲級作動系統設計，快速分(fēn)析其性能；也可以通過與Maxwell協同仿真（考慮材料的非線性、電(diàn)渦流和磁擴散等效應），或者通過降價模型（僅考慮作動器位置和電(diàn)流參數化掃描關系，忽略線圈的渦流效應）接口，實現高精度物(wù)理原型級作動系統設計，精确分(fēn)析其性能。圖1展示Simplorer平台多層次建模功能，圖2展示Simplorer平台高精度作動系統設計模型：設備級的電(diàn)力電(diàn)子器件、閉環控制系統、精确的二維或者三維作動器模型、以及機械或者液壓負載等。驅動電(diàn)路與Maxwell有限元模型瞬态鏈接實現協同仿真；機械管腳直接連接定義重量、力、彈簧和停止位限制的裝置。
ANSYS作動器設計解決方案既提供了電(diàn)磁場有限元分(fēn)析和優化設計工(gōng)具，能實現作動器靜态、瞬态磁場分(fēn)析和性能優化；也提供了靜态熱和瞬态流體(tǐ)熱分(fēn)析工(gōng)具，能夠實現電(diàn)磁、熱雙向耦合分(fēn)析；還提供了電(diàn)路和系統設計工(gōng)具，能夠實現從行爲級到物(wù)理原型級，多層次、高精度作動系統設計，可以幫助用戶高效實現無縫集成的作動器多物(wù)理域集成化設計流程，通過高精度仿真，減少制作樣機次數，縮短開(kāi)發周期，降低開(kāi)發成本，有利于用戶在激烈競争中(zhōng)脫穎而出。
