高速开关电磁阀的性能分析及优化研究

(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 0.5mm—2mm 匝数 200 (d)电压 48v 惯性载荷 25g 行程 1.5mm 匝数 50—400
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 ANSYS 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
（1） 具有高饱和磁通密度，高磁导率的软磁材料更适合高速电磁阀 （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
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。
机械模型：
Fm=ຫໍສະໝຸດ λφ 2 μ g Agmxvalve = F m − F k − F f − F flow
（6） （7）
其中：0<λ<1, 0 ≤ xvalve ≤ xvalve,max
式中:
λ为气隙边缘影响系数； F m 为电磁力； F k 为弹簧力； F f 为电磁阀摩擦力, F flow 为阀芯所受液 x 动力； m 为动铁及其所联阀芯的等效质量； valve,max 为阀芯的最大行程。
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 A(xvalve) 变 小，对阀的流量有影响，而动铁的大小影响着φ ，由式（7）知其对电磁力的大
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。
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。
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、 mechanical 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 simulation
磁路模型：
IN = φ (Rm + Rδ + Rl)
（3）
Rδ
=
lδ μδ Sδ
=
δ − xvalve μδ Sδ
（4）
Rm
=
lm μm Sm
（5）
式中：
φ μ l S l 为工作气隙磁通； δ 为工作气隙长度； δ 为工作气隙处的磁导率； δ 为工作气隙的截面积； m μ S δ 为磁导体的等效长度； m 为磁导体的磁导率； m 为磁导体的等效截面积； 为阀在初始位置的工作气 x 隙长度； valve 为阀在电磁力作用下产生的位移。
2．4
160
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
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)
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。
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
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：
U = RI + dΨ = RI + d (LI )
dt
dt
（1）
L=
N2
Rm + Rδ + Rl
（2）
式中：
Ψ 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 R R R 为线圈匝数； m 为等效磁路磁阻； δ 为等效工作气隙磁阻； l 为等效非工作气隙磁阻。
线圈匝数(N) 电感系数（mH） 响应时间（ms）
300
4.17
1.56
200
2.08
1.33
2×100
0.81
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
(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，
2.2 其它计算模型
阀的响应时间 t 0 由下式得:
t 0t 0 xvalve,max = ∫ ∫ xvalve d t 2
00
（8）
忽略流体的粘性和可压缩性，则可得阀的流量公式：
Qvalve = Cq A(xvalve)
2( p flow1 − p flow2) ρ
（9）
式中：
Qvalve C 为流出电磁阀的流体流量； q 为流量系数；A( xvalve) 为阀口通流面积函数，与 xvalve 的值有关； p flow1 、 p flow2 分别为流入、流出阀口的流体压力。