高速开关电磁阀的性能分析以及优化研究

1、高速开关电磁阀的性能分析及优化研究张廷羽张国贤(上海大学机电工程与自动化学院上海 200072摘要:本文建立了高速电磁阀的电、磁、机、液模型,并利用ANSYS、AMESim软件,将上述模型联系起来求解,在此基础上,对影响电磁阀流量和响应时间等性能的各个因素,进行了定性的分析,提出了进一步改进和优化高速电磁阀的方案。关键词:电磁阀 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、概述高速开关电磁阀是很多控制系统的关键执行元件,例如在汽车制动防抱死系统(ABS、电控柴油喷射系统、无凸轮电控液压驱动气门系统上都需要具有大流量、快速响应的开关电磁阀。它通过接受电子控制单元的控制信号实现

3、快速的启闭,额定流量和动作时间是衡量电磁阀的重要指标,其直接影响系统的稳定性和可控性,电磁阀的额定流量越大,响应时间越快,系统的控制精度和稳定性越好。目前,具有大流量、高响应的电磁阀只在少数发达国家生产制造,早在20世纪70年代末,英国Lucas公司就研制了Colenoid电磁阀,开启时间为0.75ms,关闭时间为0.8ms,被用于该公司的电控单体泵中,且由于其行程长(最大可达20mm,可达到很高流量;日本Zexel公司的DISOLE电磁阀,当最大行程为0.4mm时,其响应时间为0.74ms,被用于该公司研制的Model-1型电控分配泵中。相比之下,国内的研究起步较晚,研究单位不多,且还处于研

4、究阶段,实际应用更少,清华大学所开发的高速电磁阀开启时间0.56ms,关闭时间1ms,但流量很小,贵阳红林机械厂的螺纹插装式高速开关阀开启时间3ms,关闭时间2ms,额定流量9L/min。国内的研究机构尽管取得了一定的成就,但还有一些关键技术没有解决,特别是快速响应和大流量的问题,因此对高速电磁阀展开研究有着深远的意义。电磁阀是电、磁、机、液强耦合系统,在电磁阀的设计和分析过程中,特别在设计快速开关阀时,必须建立正确的数学模型,找出影响电磁阀性能特性的各个因素以及其相互之间的制约关系,忽略次要因素,侧重于主要因素,以达到优化设计的目的。为分析复杂磁路,并迅速有效求解非线性问题,本文应用了ANS

5、YS作为工具,对高速电磁阀的电磁部分进行分析,并在此基础上建立了电磁阀整体仿真模型,对影响电磁阀的各个因素进行了计算和分析,并提出了优化的方案。2、高速电磁阀的计算模型2.1高速电磁阀结构及其理论模型本文以直流驱动的电磁阀作为研究对象,如图所示: 图1 电磁阀计算模型结构根据电磁阀特点,可将其分解为三个子模型,包括电路模型、磁路模型和机械模型,这三者是有机联系的。电路模型:dtLI d RI dt d RI U (+=+= (1 R R R N L lm +=2 (2 式中:U 为电路的驱动电压;R 为电路的等效电阻;为线圈在磁场中产生的磁链;L 为线圈的等效电感;N 为线圈匝数;为等效磁路磁

6、阻;为等效工作气隙磁阻;为等效非工作气隙磁阻。 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: 为工作气隙磁通; 为工作气隙长度;l 为工作气隙处的磁导率; 为工作气隙的截面积;l 为磁导体的等效长度; S mm 为磁导体的磁导率; 为磁导体的等效截面积;S m 为阀在初始位置的工作气隙长度;为阀在电磁力作用下产生的位移。x valve机械模型: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:为气隙边缘影响系数;为电磁力;为弹簧力;为电磁阀摩擦力,为阀芯所受液动力; m 为动铁及其所联阀芯的等效质量;为阀芯的最大行程。F m F k F f F flow x valve max , 2.2 其它计算模型阀的响应时间t 由下式得:0=t t t d xx valve valve 00002max , (8忽略流体的粘性和可压缩性,则可得阀的流量公式:(2(21p p x A C Q flow flow valve q valve = (9式中: Q valve 为流出电磁阀的流体流量;C 为流量系数;为阀口通流面积函数,与的值有关; 、分别为流入、流出阀口的流

8、体压力。q (x A valve x valve p flow 1p flow 2由模型方程(1-(8可知,要使得电磁阀的具有快速响应特性,如果给定了铁心结构,则需要考虑的主要设计参数包括:驱动电压、线圈匝数、动铁及其所联阀芯的等效质量、弹簧弹性系数以及所选用的磁性材料,而(9式则说明电磁阀的流量与阀芯的行程以及阀芯的尺寸有关。3、电液气门驱动系统的仿真结果及分析电磁阀是电、磁、机、液四者的非线性耦合系统,为了准确的进行求解并便于进行分析,需要利用更好的辅助计算工具。在本文研究中,运用ANSYS 搭建电磁场模型进行动态电磁场分析,并进行电磁力的计算,采用 AMESim 软件搭建阀的仿真模型,将

9、电磁阀电路模型、磁路模型和机械模型联系起来,以达到求解上述复杂的非线性偶合问题的目的。3.1 动态仿真模型的求解 (a (b (c (d图2 基于ANSYS 的磁路分析结果(48V 激励(a-(d分别为电压激励后0.3ms、1ms、1.8ms、3ms 的磁路 ANSYS 磁路分析结果如图2示,结果表明图1所示的结构所产生的漏磁较少,边缘效应影响较小,较为合理。结果还表明,电磁阀的导磁体磁化是一个渐进的过程,磁场是逐步渗透进软磁材料进行磁化的,因此提高导磁体的磁化过程,及电能与磁能的转化过程是提高高速电磁阀性能的关键。本文还利用ANSYS 对电路和磁路的各种因素如软磁材料、激励电压等等进行了求解

10、分析,并进行电磁力的计算。 图3 电磁力与时间、行程的关系式(1(6说明,当将电压激励加载后,电磁力的大小实际是时间和行程的关系,如图3所示,求解后代入用AMESim软件所建的阀的模型(图4,利用Temporal analysis求解出相应的阀启闭的响应时间。 图4 电磁阀的仿真模型图5 模型计算结果3.2 仿真结果分析利用本文所建的仿真模型可计算出在电压激励下,电磁阀的电流曲线、电磁力曲线以及在电磁力的作用下阀的响应曲线,如图5所示。利用模型的计算结果,分析了选用不同的驱动电压、线圈匝数、动铁及其所联阀芯的等效质量等设计参数以及所选用的磁性材料对阀响应时间的影响,如图6所示,并具体分析如下

11、(a (b (c (d图6 各个参数变化与响应时间的关系(导磁材料为硅钢(a电压12V -110V 惯性载荷25g 行程 1.5mm 匝数200 (b电压48v 惯性载荷 5g -80g 行程1.5mm 匝数200 (c电压48v 惯性载荷 25g 行程 0.5mm2mm 匝数200 (d电压48v 惯性载荷25g 行程1.5mm 匝数50400 3.2.1 软磁体材料的影响磁导率导磁材料 初始(i 最大(max饱和磁通密度Br/T矫顽力Hc/( m A ·1电阻率/m · 开启响应时间(ms 电工软铁 300 8000 2.1564 0.11 1.61 硅钢 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 主要高磁导率材料特性及其与响应时间关系表1列出了几种主要高磁导率材料的特性以及从仿真模型求得的响应时间。从表中可以看出,采用硅钢材料作为导磁材料的响应时间最短,以后依次是珀明德合金、坡莫合金、电工软铁。这个结果说明了具有高饱和磁通密度和高电阻率的材料更适合用于制造高速电磁阀。高饱和磁通密度意味着材料能将更多的电能转化为磁能,而高电阻率则意味着涡流损失更小,磁场渗透速度更快,电能转化为磁能的速度越快。另外,矫顽磁力对响应

13、速度的影响并不明显,原因在于由于用强电能激励,产生强的外部磁场使磁材料迅速饱和,相较于外部强磁场,材料的矫顽力的值对电磁阀性能的影响较小,这一结论与文献6相一致。3.2.2 驱动电压的影响从图5(a可知,驱动电压越高,响应速度越快,但如采用过高的驱动电压,其驱动电路的设计要求就越高,易造成电路过载,而且过高的电压对响应速度的提高也并不明显,原因就在于高速电磁阀在受强电压激励后,导磁体很快达到磁饱和状态,受导磁体的磁饱和度限制,继续提高电压并不能对响应速度有显著改善。3.2.3 载荷质量的影响图5(b是载荷与响应时间的关系,此关系与式(7、(8所反应的相一致,减轻动铁和阀芯的质量,减少机械滞后能

14、提高响应时间,但是惯性载荷的减少是受限制的,例如阀芯和动铁是载荷的一部分,但过小的阀芯将使变小,对阀的流量有影响,而动铁的大小影响着(x A valve ,由式(7知其对电磁力的大小有影响。可考虑用低密度的金属材料,或将阀芯中心挖空来减少质量。3.2. 工作行程的影响 图 5(c是行程（ ）与响应时间的关系，从图中可知，行程对响应时间有 影响，但对流量影响更大，因行程的改变将影响式(9的 A( xvalve ，例如在流体 压力 60Bar 下， 空载情况下， 阀的行程达到 0.5mm 时， 其理论流量为 48.3L/min， 而如果将行程提高至 0.8mm，则阀的理论流量可达到 74.9L/m

15、in。如果从提高阀 芯尺寸大小来提高流量， 则带来质量变大 （阀芯直径与质量成平方关系）由 3.2.3 ， 的结论可得，惯性载荷的增加将使响应时间明显增加。图 5(c说明在短行程下， 可通过适当增加行程来提高阀的流量，此时对阀的响应时间影响相对较小。 3.2.5 线圈匝数的影响 图 5(d是线圈匝数对响应时间的影响。从式（2） （3）可知，线圈匝数的增 加能提高磁势，促进电能与磁能的转换，从而增强电磁力，加快响应速度，但 是也相应的增加了线圈的感应系数，增大了电流的响应时间常数。说明对于设 计高速电磁阀而言，较大线圈匝数并不一定有利于提高阀的响应速度。不过应 该注意的是，通过将线圈并联的方式，

16、可以在不降低电磁力的前提下，提高响 应时间。因为线圈并联的方式可以在不减少安匝数的前提下，减少线圈电感系 数，表 2 显示了将两个 100 匝的线圈并联后响应时间与其它线圈的比较结果。 线圈匝数(N 300 200 2×100 电感系数（mH） 4.17 2.08 0.81 响应时间（ms） 1.56 1.33 1.19 表 2 线圈匝数与电感系数、响应时间的关系 4、 结论 由于新的控制系统对执行元件的性能要求越来越高，高速电磁开关阀的研 制已成为必然，本文建立了仿真模型，对影响电磁阀性能的因素进行了分析， 提出了有益优化的方案 （1） 具有高饱和磁通密度，高磁导率的软磁材料更适合

17、高速电磁阀 （2） 适度的高电压激励有利于提高电磁阀的响应时间，但因考虑软磁材 料的饱和磁通密度限制、电路设计的成本以及高电压激励带来的发 热问题。 （3） 不应单纯的依靠减轻载荷的质量提高性能，而应考虑低密度高强度 的材料，并用合适的结构，如阀芯可采用铝合金材料，并设计成空 心结构等方法。 （4） 为提高阀的流量，除提高阀芯尺寸外，可适当提高阀的行程。 （5） 线圈匝数是较为敏感的设计因素，合适的线圈匝数有利于提供足够 的电磁力，提高电能转化为磁能的速度，可考虑采用线圈并联方式 绕制线圈。 （6） 还有很多因素可以考虑，如电源驱动方式、剩磁的影响等，模型本 身还有很多地方需要进一步改进和优化

18、。 参考文献 1唐兴伦等 ANSYS 工程应用教程热与电磁学篇M.北京:中国铁道出社.2003 2张冠生，陆俭国 电磁铁与自动电磁元件M.北京：机械工业出版社.1982 3葛伟亮等 电磁控制元件M.北京:北京理工大学出版社.2001 4田民波 磁性材料M.北京：清华大学出版社.2001 5Y.Xu and B.Jones “A simple means of predicting the dynamic response of electromagnetic actuators” J.Mechatronics Vol.7.pp.589-598,1997 6S.Hayano et all.“A magnetization model for computational magnetodynamics.” J. Appl. Phys. Vol. 69.pp. 4614-4616.April 1991 7Y.Kawase and Y.Ohdachi. “Dynamic analysis of automotive solenoid valve using finite element me