高速開關(guān)電磁閥的性能分析以及優(yōu)化研究

1、高速開關(guān)電磁閥的性能分析及優(yōu)化研究張廷羽張國賢(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院上海 200072摘要:本文建立了高速電磁閥的電、磁、機(jī)、液模型,并利用ANSYS、AMESim軟件,將上述模型聯(lián)系起來求解,在此基礎(chǔ)上,對(duì)影響電磁閥流量和響應(yīng)時(shí)間等性能的各個(gè)因素,進(jìn)行了定性的分析,提出了進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化高速電磁閥的方案。關(guān)鍵詞:電磁閥 ANSYS AMESim 仿真Abstract: In this paper, a mathematical model for solenoid is built, including the magnetic model、current model、mechani

2、cal model and hydraulic model. With ANSYS、AMESim software, the model is calculated and the factors which effect the performance of solenoid are analyzed. Keyword : solenoid ANSYS AMESim simulation1、概述高速開關(guān)電磁閥是很多控制系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行元件,例如在汽車制動(dòng)防抱死系統(tǒng)(ABS、電控柴油噴射系統(tǒng)、無凸輪電控液壓驅(qū)動(dòng)氣門系統(tǒng)上都需要具有大流量、快速響應(yīng)的開關(guān)電磁閥。它通過接受電子控制單元的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)

3、快速的啟閉,額定流量和動(dòng)作時(shí)間是衡量電磁閥的重要指標(biāo),其直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性,電磁閥的額定流量越大,響應(yīng)時(shí)間越快,系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性越好。目前,具有大流量、高響應(yīng)的電磁閥只在少數(shù)發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)制造,早在20世紀(jì)70年代末,英國Lucas公司就研制了Colenoid電磁閥,開啟時(shí)間為0.75ms,關(guān)閉時(shí)間為0.8ms,被用于該公司的電控單體泵中,且由于其行程長(最大可達(dá)20mm,可達(dá)到很高流量;日本Zexel公司的DISOLE電磁閥,當(dāng)最大行程為0.4mm時(shí),其響應(yīng)時(shí)間為0.74ms,被用于該公司研制的Model-1型電控分配泵中。相比之下,國內(nèi)的研究起步較晚,研究單位不多,且還處于研

4、究階段,實(shí)際應(yīng)用更少,清華大學(xué)所開發(fā)的高速電磁閥開啟時(shí)間0.56ms,關(guān)閉時(shí)間1ms,但流量很小,貴陽紅林機(jī)械廠的螺紋插裝式高速開關(guān)閥開啟時(shí)間3ms,關(guān)閉時(shí)間2ms,額定流量9L/min。國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)盡管取得了一定的成就,但還有一些關(guān)鍵技術(shù)沒有解決,特別是快速響應(yīng)和大流量的問題,因此對(duì)高速電磁閥展開研究有著深遠(yuǎn)的意義。電磁閥是電、磁、機(jī)、液強(qiáng)耦合系統(tǒng),在電磁閥的設(shè)計(jì)和分析過程中,特別在設(shè)計(jì)快速開關(guān)閥時(shí),必須建立正確的數(shù)學(xué)模型,找出影響電磁閥性能特性的各個(gè)因素以及其相互之間的制約關(guān)系,忽略次要因素,側(cè)重于主要因素,以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。為分析復(fù)雜磁路,并迅速有效求解非線性問題,本文應(yīng)用了ANS

5、YS作為工具,對(duì)高速電磁閥的電磁部分進(jìn)行分析,并在此基礎(chǔ)上建立了電磁閥整體仿真模型,對(duì)影響電磁閥的各個(gè)因素進(jìn)行了計(jì)算和分析,并提出了優(yōu)化的方案。2、高速電磁閥的計(jì)算模型2.1高速電磁閥結(jié)構(gòu)及其理論模型本文以直流驅(qū)動(dòng)的電磁閥作為研究對(duì)象,如圖所示: 圖1 電磁閥計(jì)算模型結(jié)構(gòu)根據(jù)電磁閥特點(diǎn),可將其分解為三個(gè)子模型,包括電路模型、磁路模型和機(jī)械模型,這三者是有機(jī)聯(lián)系的。電路模型:dtLI d RI dt d RI U (+=+= (1 R R R N L lm +=2 (2 式中:U 為電路的驅(qū)動(dòng)電壓;R 為電路的等效電阻;為線圈在磁場中產(chǎn)生的磁鏈;L 為線圈的等效電感;N 為線圈匝數(shù);為等效磁路磁

6、阻;為等效工作氣隙磁阻;為等效非工作氣隙磁阻。 R m R R l磁路模型:(R R R IN l m += (3S x S l R valve = (4 S l R mm m m =(5 式中: 為工作氣隙磁通; 為工作氣隙長度;l 為工作氣隙處的磁導(dǎo)率; 為工作氣隙的截面積;l 為磁導(dǎo)體的等效長度; S mm 為磁導(dǎo)體的磁導(dǎo)率; 為磁導(dǎo)體的等效截面積;S m 為閥在初始位置的工作氣隙長度;為閥在電磁力作用下產(chǎn)生的位移。x valve機(jī)械模型:A F gg m 2= (6 xm valve =F F F F flow f k m (7 其中:0<<1, x x valve val

7、ve max ,0式中:為氣隙邊緣影響系數(shù);為電磁力;為彈簧力;為電磁閥摩擦力,為閥芯所受液動(dòng)力; m 為動(dòng)鐵及其所聯(lián)閥芯的等效質(zhì)量;為閥芯的最大行程。F m F k F f F flow x valve max , 2.2 其它計(jì)算模型閥的響應(yīng)時(shí)間t 由下式得:0=t t t d xx valve valve 00002max , (8忽略流體的粘性和可壓縮性,則可得閥的流量公式:(2(21p p x A C Q flow flow valve q valve = (9式中: Q valve 為流出電磁閥的流體流量;C 為流量系數(shù);為閥口通流面積函數(shù),與的值有關(guān); 、分別為流入、流出閥口的流

8、體壓力。q (x A valve x valve p flow 1p flow 2由模型方程(1-(8可知,要使得電磁閥的具有快速響應(yīng)特性,如果給定了鐵心結(jié)構(gòu),則需要考慮的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括:驅(qū)動(dòng)電壓、線圈匝數(shù)、動(dòng)鐵及其所聯(lián)閥芯的等效質(zhì)量、彈簧彈性系數(shù)以及所選用的磁性材料,而(9式則說明電磁閥的流量與閥芯的行程以及閥芯的尺寸有關(guān)。3、電液氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真結(jié)果及分析電磁閥是電、磁、機(jī)、液四者的非線性耦合系統(tǒng),為了準(zhǔn)確的進(jìn)行求解并便于進(jìn)行分析,需要利用更好的輔助計(jì)算工具。在本文研究中,運(yùn)用ANSYS 搭建電磁場模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)電磁場分析,并進(jìn)行電磁力的計(jì)算,采用 AMESim 軟件搭建閥的仿真模型,將

9、電磁閥電路模型、磁路模型和機(jī)械模型聯(lián)系起來,以達(dá)到求解上述復(fù)雜的非線性偶合問題的目的。3.1 動(dòng)態(tài)仿真模型的求解 (a (b (c (d圖2 基于ANSYS 的磁路分析結(jié)果(48V 激勵(lì)(a-(d分別為電壓激勵(lì)后0.3ms、1ms、1.8ms、3ms 的磁路 ANSYS 磁路分析結(jié)果如圖2示,結(jié)果表明圖1所示的結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的漏磁較少,邊緣效應(yīng)影響較小,較為合理。結(jié)果還表明,電磁閥的導(dǎo)磁體磁化是一個(gè)漸進(jìn)的過程,磁場是逐步滲透進(jìn)軟磁材料進(jìn)行磁化的,因此提高導(dǎo)磁體的磁化過程,及電能與磁能的轉(zhuǎn)化過程是提高高速電磁閥性能的關(guān)鍵。本文還利用ANSYS 對(duì)電路和磁路的各種因素如軟磁材料、激勵(lì)電壓等等進(jìn)行了求解

10、分析,并進(jìn)行電磁力的計(jì)算。 圖3 電磁力與時(shí)間、行程的關(guān)系式(1(6說明,當(dāng)將電壓激勵(lì)加載后,電磁力的大小實(shí)際是時(shí)間和行程的關(guān)系,如圖3所示,求解后代入用AMESim軟件所建的閥的模型(圖4,利用Temporal analysis求解出相應(yīng)的閥啟閉的響應(yīng)時(shí)間。 圖4 電磁閥的仿真模型圖5 模型計(jì)算結(jié)果3.2 仿真結(jié)果分析利用本文所建的仿真模型可計(jì)算出在電壓激勵(lì)下,電磁閥的電流曲線、電磁力曲線以及在電磁力的作用下閥的響應(yīng)曲線,如圖5所示。利用模型的計(jì)算結(jié)果,分析了選用不同的驅(qū)動(dòng)電壓、線圈匝數(shù)、動(dòng)鐵及其所聯(lián)閥芯的等效質(zhì)量等設(shè)計(jì)參數(shù)以及所選用的磁性材料對(duì)閥響應(yīng)時(shí)間的影響,如圖6所示,并具體分析如下

11、(a (b (c (d圖6 各個(gè)參數(shù)變化與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系(導(dǎo)磁材料為硅鋼(a電壓12V -110V 慣性載荷25g 行程 1.5mm 匝數(shù)200 (b電壓48v 慣性載荷 5g -80g 行程1.5mm 匝數(shù)200 (c電壓48v 慣性載荷 25g 行程 0.5mm2mm 匝數(shù)200 (d電壓48v 慣性載荷25g 行程1.5mm 匝數(shù)50400 3.2.1 軟磁體材料的影響磁導(dǎo)率導(dǎo)磁材料 初始(i 最大(max飽和磁通密度Br/T矯頑力Hc/( m A ·1電阻率/m · 開啟響應(yīng)時(shí)間(ms 電工軟鐵 300 8000 2.1564 0.11 1.61 硅鋼 1000 3

12、0000 2.024 0.45 1.15 珀明德合金 650 6000 2.4160 0.28 1.20 坡莫合金 8000 100000 0.86 4 0.18 1.92表1 主要高磁導(dǎo)率材料特性及其與響應(yīng)時(shí)間關(guān)系表1列出了幾種主要高磁導(dǎo)率材料的特性以及從仿真模型求得的響應(yīng)時(shí)間。從表中可以看出,采用硅鋼材料作為導(dǎo)磁材料的響應(yīng)時(shí)間最短,以后依次是珀明德合金、坡莫合金、電工軟鐵。這個(gè)結(jié)果說明了具有高飽和磁通密度和高電阻率的材料更適合用于制造高速電磁閥。高飽和磁通密度意味著材料能將更多的電能轉(zhuǎn)化為磁能,而高電阻率則意味著渦流損失更小,磁場滲透速度更快,電能轉(zhuǎn)化為磁能的速度越快。另外,矯頑磁力對(duì)響應(yīng)

13、速度的影響并不明顯,原因在于由于用強(qiáng)電能激勵(lì),產(chǎn)生強(qiáng)的外部磁場使磁材料迅速飽和,相較于外部強(qiáng)磁場,材料的矯頑力的值對(duì)電磁閥性能的影響較小,這一結(jié)論與文獻(xiàn)6相一致。3.2.2 驅(qū)動(dòng)電壓的影響從圖5(a可知,驅(qū)動(dòng)電壓越高,響應(yīng)速度越快,但如采用過高的驅(qū)動(dòng)電壓,其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求就越高,易造成電路過載,而且過高的電壓對(duì)響應(yīng)速度的提高也并不明顯,原因就在于高速電磁閥在受強(qiáng)電壓激勵(lì)后,導(dǎo)磁體很快達(dá)到磁飽和狀態(tài),受導(dǎo)磁體的磁飽和度限制,繼續(xù)提高電壓并不能對(duì)響應(yīng)速度有顯著改善。3.2.3 載荷質(zhì)量的影響圖5(b是載荷與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系,此關(guān)系與式(7、(8所反應(yīng)的相一致,減輕動(dòng)鐵和閥芯的質(zhì)量,減少機(jī)械滯后能

14、提高響應(yīng)時(shí)間,但是慣性載荷的減少是受限制的,例如閥芯和動(dòng)鐵是載荷的一部分,但過小的閥芯將使變小,對(duì)閥的流量有影響,而動(dòng)鐵的大小影響著(x A valve ,由式(7知其對(duì)電磁力的大小有影響?？煽紤]用低密度的金屬材料,或?qū)㈤y芯中心挖空來減少質(zhì)量。3.2. 工作行程的影響 圖 5(c是行程（ ）與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系，從圖中可知，行程對(duì)響應(yīng)時(shí)間有 影響，但對(duì)流量影響更大，因行程的改變將影響式(9的 A( xvalve ，例如在流體 壓力 60Bar 下， 空載情況下， 閥的行程達(dá)到 0.5mm 時(shí)， 其理論流量為 48.3L/min， 而如果將行程提高至 0.8mm，則閥的理論流量可達(dá)到 74.9L/m

15、in。如果從提高閥 芯尺寸大小來提高流量， 則帶來質(zhì)量變大 （閥芯直徑與質(zhì)量成平方關(guān)系）由 3.2.3 ， 的結(jié)論可得，慣性載荷的增加將使響應(yīng)時(shí)間明顯增加。圖 5(c說明在短行程下， 可通過適當(dāng)增加行程來提高閥的流量，此時(shí)對(duì)閥的響應(yīng)時(shí)間影響相對(duì)較小。 3.2.5 線圈匝數(shù)的影響 圖 5(d是線圈匝數(shù)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響。從式（2） （3）可知，線圈匝數(shù)的增 加能提高磁勢，促進(jìn)電能與磁能的轉(zhuǎn)換，從而增強(qiáng)電磁力，加快響應(yīng)速度，但 是也相應(yīng)的增加了線圈的感應(yīng)系數(shù)，增大了電流的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。說明對(duì)于設(shè) 計(jì)高速電磁閥而言，較大線圈匝數(shù)并不一定有利于提高閥的響應(yīng)速度。不過應(yīng) 該注意的是，通過將線圈并聯(lián)的方式，

16、可以在不降低電磁力的前提下，提高響 應(yīng)時(shí)間。因?yàn)榫€圈并聯(lián)的方式可以在不減少安匝數(shù)的前提下，減少線圈電感系 數(shù)，表 2 顯示了將兩個(gè) 100 匝的線圈并聯(lián)后響應(yīng)時(shí)間與其它線圈的比較結(jié)果。 線圈匝數(shù)(N 300 200 2×100 電感系數(shù)（mH） 4.17 2.08 0.81 響應(yīng)時(shí)間（ms） 1.56 1.33 1.19 表 2 線圈匝數(shù)與電感系數(shù)、響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系 4、 結(jié)論 由于新的控制系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行元件的性能要求越來越高，高速電磁開關(guān)閥的研 制已成為必然，本文建立了仿真模型，對(duì)影響電磁閥性能的因素進(jìn)行了分析， 提出了有益優(yōu)化的方案 （1） 具有高飽和磁通密度，高磁導(dǎo)率的軟磁材料更適合

17、高速電磁閥 （2） 適度的高電壓激勵(lì)有利于提高電磁閥的響應(yīng)時(shí)間，但因考慮軟磁材 料的飽和磁通密度限制、電路設(shè)計(jì)的成本以及高電壓激勵(lì)帶來的發(fā) 熱問題。 （3） 不應(yīng)單純的依靠減輕載荷的質(zhì)量提高性能，而應(yīng)考慮低密度高強(qiáng)度 的材料，并用合適的結(jié)構(gòu)，如閥芯可采用鋁合金材料，并設(shè)計(jì)成空 心結(jié)構(gòu)等方法。 （4） 為提高閥的流量，除提高閥芯尺寸外，可適當(dāng)提高閥的行程。 （5） 線圈匝數(shù)是較為敏感的設(shè)計(jì)因素，合適的線圈匝數(shù)有利于提供足夠 的電磁力，提高電能轉(zhuǎn)化為磁能的速度，可考慮采用線圈并聯(lián)方式 繞制線圈。 （6） 還有很多因素可以考慮，如電源驅(qū)動(dòng)方式、剩磁的影響等，模型本 身還有很多地方需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化

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