基于AMESim的電磁閥性能仿真

鄭海兵，黃光穎，彭幫亮

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于AMESim的電磁閥性能仿真

鄭海兵，黃光穎，彭幫亮

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介紹一種有限元與一維仿真相結合的仿真方案，對電磁閥磁頭結構進行磁場建模仿真，對閥體結構進行CFD流場仿真，在AMESim中建立完整的電磁閥模型，導入電磁頭特性數據，并用流量-壓力降等特性數據進行閥體參數標定，AMESim模型可以進行PI、滯環、響應等性能研究及dither控制參數探索。

dither；電磁閥；AMESim

CLC NO.:U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-120-03

引言

目前絕大多的液壓控制系統中都應用電磁閥作為系統的關鍵控制元件，而電磁閥作為液壓控制系統中非常重要的控制元件，其性能的優劣直接到關系液壓系統的響應速度，執行器動作過程的控制精度，對液壓系統的性能表現有至關重要的影響。

電磁閥大多采用PWM信號控制方式，在設計電磁閥或應用電磁閥過程中要對其性能有較為充分的了解，以指導系統控制參數的制定。對電磁閥進行建模仿真是一種有效快捷的手段，但電磁閥涉及到機、電磁、液等領域難以在單一的仿真軟件上實現精確建模，使得電磁閥的性能研究有很大的局限性。

本文介紹一種采用有限元與一維仿真相結合的仿真方案，即對電磁閥磁頭結構進行磁場仿真獲取電磁力特性數據，磁通特性數據；對閥體結構進行CFD仿真獲取流量-壓力降等特性數據，同時在AMESim中建立完整的電磁閥模型，導入電磁頭特性數據，并用流量-壓力降等特性數據進行閥體參數標定，電磁模型夠對電磁閥選型及工作特性研究等具有更多的指導意義。

1 電磁閥結構

本文以某款線性壓力電磁閥為建模對象，其結構如下：

圖1 某款線性壓力電磁閥

圖2 某款線性壓力電磁閥結構圖

2 仿真分析

2.1 電磁頭仿真

利用flux工具軟件對電磁頭結構2D簡化建模，如下圖：

圖4 磁頭網格結構

圖3 磁頭2D軸對稱幾何結構

導入對應的導磁材料磁化特性數據后，設置參數化靜態仿真模式；

仿真電流設置：0.1A～1.2A，步進0.1A；

銜鐵位移設置：0m～-0.0023m,步進0.0001mm；（正負值視具體坐標系而定）

啟動仿真，完成后獲取電磁力與銜鐵位移、電流關系數據和磁通與銜鐵位移、電流關系數據，如下所示：

圖5 磁力特性模面

圖6 磁力特性系列曲線

圖7 磁通特性模面

圖8 磁通特性系列曲線

將數據處理成2D表格形式，以便AMESim軟件能夠正確讀取。

2.2 閥體CFD

對電磁閥閥體部分進行流體域提取后，導入pumplinx中進行建模仿真，如下所示：

圖9 閥體結構流體域

圖10 閥體CFD壓力云圖

對不同閥芯位置下（即不同閥口開度下）進行仿真，油液屬性應與液壓系統油液一致，分別獲取-15℃，40℃，90℃的流量-壓力降特性數據；

2.3 電磁閥AMESim建模仿真

在一維仿真軟件AMESim中，對電磁閥進行完整建模，如下所示：

圖11 電磁閥AMESim模型

在-15℃，40℃，90℃三種溫度下設置與閥體結構CFD相同工況，閥芯位移參數相同，根據流量-壓力降特性數據，對AMESim模型的閥體結構部分進行標定；

導入電磁力特性數據表和磁通特性數據表，設置仿真參數：

P口壓力源24bar，電壓源12V，PWM頻率3000Hz，PI反饋控制方式，結果采集頻率10000Hz；

電流響應特性：

電磁頭氣隙分別設置：2.9mm/2mm/1.5mm/1mm，考察電流到達穩定時間，即電磁頭時間常數。

圖12 線圈電流響應曲線

圖13 穩定壓力對比

響應電流隨氣隙值的不同，電流響應曲線表現出一定的變化規律，但到達穩定時間基本一致，此處約為80ms，見圖12（時間常數受線圈電阻、線圈圈數、磁路中的磁阻及導電材料的渦流大小有關）。

穩定壓力下，加載dither，與不加載dither對比：

仿真時間1s前不加載dither,1s后加載dither，dither參數為正弦波，頻率160Hz，振幅60mA；

加載dither前后，穩定壓力提高約0.2bar，說明加載dither后電磁閥輸出穩定壓力會有微小提升見圖13。

考察不同dither頻率對電磁閥PI影響；

圖14 dither幅值60mA，不同頻率下電磁閥PI曲線

考察不同dither幅值對電磁閥PI的變化規律；

圖15 dither頻率160Hz,不同幅值下PI曲線

圖16 dither頻率160Hz,不同幅值下實際電流曲線

Dither幅值增大，可以在一定程度上減小磁滯；

Dither幅值增大，壓力波動增大；

Dither對階躍壓力響應特性的影響：

考察不同dither頻率、不同幅值下電磁閥壓力響應的變化規律。

圖17 dither幅值60mA,不同頻率下階躍壓力曲線

圖18 dither幅值60mA,不同頻率下實際電流曲線

Dither頻率增大對階躍壓力的響應非常小，趨勢上，頻率高響應越快；

Dither頻率增大對穩定壓力值大小有較為明顯的影響，頻率越大，穩定壓力值越大；

圖19 dither頻率160Hz,不同幅值下實際電流曲線

Dither幅值增大，對壓力響應很小，趨勢上，幅值越大響應時間延遲；

Dither幅值增大，對穩定壓力值大小有較為明顯的影響，穩定壓力值越大；

3 結論

通過對電磁頭進行磁場仿真計算，獲取電磁力、磁通量等特性數據，導入到AMESim電磁閥模型中進行性能分析，得到如下結論：

1）電磁閥模型，導入磁通特性數據后，表現出相應的電磁特性，具備了定性研究dither影響的功能；

2）電磁閥模型加載dither前后，穩定壓力有較為明顯的變化，加載dither后穩定壓力有不同程度的提高約0.2bar（視dither參數而定）；

3）電磁特性是導致電磁閥壓力滯環的主要原因，電磁閥加載dither后，PI曲線磁滯有明顯改善，但隨dither頻率增大超過臨界，磁滯將變大，dither幅值越大，磁滯越小，但壓力波動將明顯增大；

4）Dither頻率、幅值等參數對電磁閥的響應時間影響很小，趨勢上，頻率越大，響應時間越長，幅值越大響應時間越長，頻率和幅值對超調量的影響沒有明顯規律；

綜上初步分析結果表明了電磁頭磁場仿真計算數據導入AMESim電磁閥模型，閥體流場壓力降特性數據標定的單閥性能分析仿真技術方法夠對電磁閥選型及工作特性研究等具有更多的指導意義。

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The simulation of solenoid valve based on AMESim

Zheng Haibing, Huang Guangyin, Peng Bangliang
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Using finite element analysis software combined with one-dimensional simulation software simulation analysis of solenoid valve performance.The finite element analysis software is used to simulate the magnetic field of magnetic head of the solenoid valve and analyze the CFD floe field of the valve body. Set up the complete solenoid valve model in AMESim of one-dimensional simulation software, import characteristics data of magnetic head to the mole and calibrate parameters of the valve body using flow-pressure drop and other the characteristics data.So as to further study the influence of dither on PI, hysteresis and response of solenoid valve.

solenoid valve; AMESim; dither

U463.6

A

1671-7988 (2017)13-120-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.041

鄭海兵（1982-），男，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，現為變速箱設計工程師。從事于DCT變速器產品設計開發工作。