作动器，或者叫螺线管，有时候也称为制动器、电磁阀、电磁铁等，是一种通过通电产生磁场来控制衔铁实现理想力矩和位移的设备。衔铁为铁磁物质，受到磁场作用后，产生吸力并把电能转化成机械能，用于对负载的速度、方向、位移、力进行控制。
作动器的应用领域很广，如燃料喷射器（油阀的电磁阀）、电能分配器（断流器、断路器、继电器、接触器等）、各种汽车、液压工业应用等。
安世亚太针对作动器电磁分析和性能优化、温升与形变、结构应力分析、控制系统集成等设计需求，提供电磁、结构、流体、控制等多物理集成化设计解决方案，全面解决作动器的设计问题。
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
安世亚太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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