電磁閥關閉電流曲線尖峰現象研究

史 剛，高 健，岳 兵，余武江

0 引 言

電磁閥是運載火箭增壓輸送系統的重要元件，主要用于火箭飛行中控制增壓氣體的通斷[1]。某型運載火箭電磁閥在進行關閉電流曲線測試時，在正常的關閉曲線反峰前，出現一個短暫的尖峰。本文結合AMESim和Maxwell仿真分析軟件，對該尖峰現象進行了機理研究，提出結構改進措施，并進行了驗證試驗。試驗結果表明，機理分析正確，改進效果良好。

1 電磁閥關閉電流曲線尖峰現象

1.1 電磁閥工作原理

電磁閥工作原理如圖1所示，主要由線圈、套筒、閥體、彈簧、銜鐵、擋鐵組成[2]，其進氣口與高壓氣瓶相連，出氣口與推進劑貯箱相通。電磁閥通電工作時，銜鐵在電磁吸力作用下與擋鐵吸合，閥門開啟，高壓氣瓶的氣體流入貯箱進行增壓；斷電后，銜鐵在彈簧力作用下向下運動回位密封，閥門關閉[3]。

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圖1 電磁閥工作原理示意Fig.1 Working Principle Diagram of Solenoid Valve

1.2 關閉電流曲線尖峰現象

在進行電磁閥電流曲線測試時，通常得到的典型關閉曲線如圖2中的Toff段所示[4]。電磁閥在D點斷電后，電流從穩定值逐漸減少，到E點前銜鐵開始動作，但因速度較慢，電流繼續下降但比指數曲線平緩，越過E點后，銜鐵速度繼續增大，切割磁感線產生反向電動勢，使電流不降反升，形成F點的正常關閉反峰。之后銜鐵回位落座，電流繼續呈指數規律下降[5]。

圖2 典型關閉電流特性曲線Fig.2 Typical Closing Current Curve

某型運載火箭電磁閥實際測試時，電磁閥通電打開時入口壓力為1.8 MPa，出口壓力為0.4 MPa（電磁閥開啟過程中可認為上下游壓力值不變）。斷電后，得到的電流曲線如圖3所示。從圖3中可以看到，與通常的典型關閉電流曲線相比，在正常的關閉反峰之前，多了一個短暫的尖峰。出現在第2.2 s，峰值約0.25 A，持續時間較短，約4 ms。

圖3 關閉電流曲線尖峰現象特性曲線Fig.3 Sharp Peek Phenomenon of Closing Current Curve

2 機理分析

2.1 不通氣關閉曲線復測

為分析現象產生的機理，在電磁閥上下游均不通氣的工況下進行關閉曲線復測，結果表明不通氣時無此尖峰現象，這說明尖峰現象與通氣狀態有關，即與氣體壓力的作用有關。

2.2 銜鐵受力分析

以銜鐵為研究對象，分析其受力情況，如圖4所示。在銜鐵吸合狀態下，所受向下的力有背壓腔氣壓作用力F背、彈簧力F彈、擋鐵的支持力F支和閥口腔與出口腔壓差作用力F’，向上的力有電磁吸力F吸[6]，不考慮重力影響其力平衡關系為

圖4 吸合狀態下銜鐵受力情況示意Fig.4 Force Condition of Armature Being Pulled

當電磁閥上下游無氣體時，F背=F’=0。通電吸合時，F吸=208 N，F彈= 10 N，則可得F支=198 N；斷電后，F彈不變，而F吸逐漸下降，相應的F支也逐漸下降，但銜鐵還處于吸合位置。當電流下降到圖 3所示的第 1個尖峰點（第2.2 s）時，根據電流值計算得此時F吸=62.5 N，仍然遠遠大于F彈，所以銜鐵此時不應發生運動。直到第2.28 s時，F吸下降至9.4 N，此時銜鐵已經在彈簧力的作用下開始運動，切割磁感線產生正常關閉反峰。而當電磁閥上下游有氣體時，F背和F′均不再為0，就會影響銜鐵的受力和運動。

2.3 背壓腔憋壓模式分析

電磁閥通電開啟前，背壓腔和閥口腔壓力與上游氣瓶壓力一致，均為1.8 MPa。出口壓力與下游壓力一致，為0.4 MPa。電磁閥通電開啟時，銜鐵快速向上運動并與擋鐵吸合。若此時銜鐵和擋鐵的接觸面表面質量較好，形成密封環帶，那么背壓腔氣體將被密封于背壓腔內，形成憋壓，如圖5所示。

圖5 背壓腔憋壓示意Fig.5 Diagram of Pressure Suppression

由圖5可知，電磁閥斷電時，銜鐵會額外受到F背的作用。當電流下降到第2.2 s時，F吸雖然仍遠遠大于F彈與 F′的合力，但由于背壓腔憋住了高壓，使得 F吸小于F彈，F′和F背三者的合力，銜鐵提前發生了向下運動，并切割磁感線產生電流尖峰。當銜鐵向下運動后，銜鐵和擋鐵脫離接觸，背壓腔的氣體迅速流出到閥口腔中，兩個腔的壓力恢復平衡，向下的力F背大幅減小或消失，所以此時銜鐵又被迅速吸回，尖峰消失，電流曲線恢復原來的下降趨勢。

若銜鐵和擋鐵的接觸面表面質量較差，在電磁閥持續通電開啟過程中，背壓腔的高壓氣體會從接觸面的微小氣流通道中排出，迅速達到平衡，此時也就沒有了向下的F背的作用，無法使得斷電后銜鐵提前運動。

綜上所述，此種模式下，第2.2 s時的電流曲線尖峰是由于銜鐵發生了向下運動切割磁感線產生，而銜鐵向下運動是因為受到了背壓腔憋壓額外產生的向下的 F背的作用。為驗證此種模式是否成立，分別使用AMESim和Maxwell進行了仿真分析。

2.4 AMESim仿真分析

使用AMsim進行背壓腔憋壓仿真分析，通過提取銜鐵的位移，計算銜鐵與套筒間隙的流道面積，等效為可變截面積的孔板[7]。設置電磁閥入口壓力為1.8 MPa，出口壓力為0.4 MPa。計算得到的背壓腔和閥口腔壓力曲線如圖6所示。由圖6可知，壓力穩定段背壓腔壓力為1.84 MPa，閥口腔壓力為0.49 MPa。計算結果說明，背壓腔確實發生了憋壓現象。

圖6 背壓腔、閥口腔壓力對比特性曲線Fig.6 Pressure Contrast Curve

2.5 Maxwell仿真分析

采用Maxwell的瞬態磁場仿真模塊對電磁閥響應時間進行仿真計算。Maxwell軟件提供自適應網格剖分技術，可以對曲率大、間隙小的區域進行完善。網格在自適應剖分過程中，自動確定模型中網格需要加密的區域，并對其加密剖分，提高了計算的準確度。圖7為電磁閥的磁路軸對稱半剖面模型和網格自適應剖分圖。

圖7 Maxwell軸對稱仿真模型和網格自適應剖分示意Fig.7 Simulation Model by Maxwell

設置材料的電磁特性，輸入擋鐵和銜鐵所用軟磁材料的B-H曲線，對線圈加載100 ms開/150 ms關的27 V脈沖電壓，設置勵磁線圈的匝數為1600 匝、阻值為25 ?。同時設置力學條件，輸入彈簧初始負載力為10 N，設置銜鐵黏性系數為10 N?m?s，銜鐵質量為0.05 kg。求解時間步長選擇固定步長設置，步長為1×10-3s，時間歷程為250 ms，非線性殘差為0.000 1。由此開展電磁閥瞬態仿真計算[8]。

考慮憋壓的影響，根據AMESim背壓腔和閥口腔憋壓仿真結果，憋壓會使銜鐵在吸合后增加一定的關閉力，為在仿真計算中引入該力，在Maxwell運動設置中利用系統自帶的“pwl（y，x）”函數，將氣壓力和彈簧力的合力隨位移的變化關系作為銜鐵的受力輸入到仿真模型中，仿真得到的電流曲線如圖8所示。

圖8 Maxwell仿真電流曲線（憋壓狀態）Fig.8 Current Curve by Maxwell(Pressure Suppressed)

由圖8可知，在第140 ms左右出現了與實測曲線類似的尖峰。峰值約0.2 A，持續時間約5 ms。此尖峰消失后，電流繼續按原有趨勢下降。

銜鐵的運動曲線如圖9所示。從圖9中可知，當銜鐵受到的電磁吸力F吸小于F彈，F′和F背三者之和時，銜鐵開始向下運動，此時背壓腔的氣體迅速流出到閥口腔中，背壓腔壓力迅速下降或消失，同時F背迅速下降或消失，所以銜鐵又被迅速吸回。直到F吸繼續下降至一定值，銜鐵正常關閉回位。

圖9 Maxwell仿真銜鐵位移曲線（憋壓狀態）Fig.9 Armature Displacement Curve by Maxwell(Pressure Suppressed)

2.6 小 結

根據上述分析，電磁閥關閉電流曲線尖峰現象可定位于銜鐵和擋鐵吸合后，接觸面形成密封效果，導致背壓腔憋壓，給銜鐵提供了一個額外向下的力，使得電流下降到一定值時銜鐵即開始向下運動，產生第1個電流尖峰；銜鐵運動的同時，背壓腔氣體迅速流出，氣壓力消失，銜鐵又被吸回，電流按原有趨勢繼續下降，形成第2個正常的反峰。

3 現象復現試驗

為進一步驗證機理分析，進行了復現試驗。選取一件電磁閥產品，該產品在不通氣和通氣測試時均未出現第1個尖峰。由于銜鐵和擋鐵均為金屬，密封效應不易復現，人為在銜鐵的頂端涂抹適量的7804密封脂，以提升密封效果。對此產品再次進行通氣時的關閉曲線測試，得到的電流曲線中尖峰現象復現，說明對此現象的機理分析定位準確。

4 結構改進及驗證

根據機理分析，尖峰現象的主要原因是背壓腔的憋壓，造成背壓腔和閥口腔產生壓差。該現象不影響電磁閥的正常關閉，但會增加一次銜鐵的微動作。為消除此尖峰現象，對銜鐵進行結構改進。在側面打4個通氣孔，可以有效連通背壓腔和閥口腔，如圖10所示。

圖10 銜鐵增加通氣孔Fig.10 Armature Adding Vent

增加通氣孔后，在銜鐵吸合狀態下，背壓腔和閥口腔壓力一致，消除了憋壓的影響，不會出現第 1個尖峰。經過仿真和試驗驗證，表明改進后第1個尖峰已消除，說明增加通氣孔的措施合理有效。

5 結 論

通過本文的研究，可得出以下結論：

a）電磁閥關閉電流曲線尖峰產生的原因是銜鐵與擋鐵接觸產生密封效應，造成背壓腔憋壓，電磁吸力還未下降到小于彈簧力和閥口腔與出口腔壓差力的合力時，銜鐵即開始向下運動，產生第1個電流尖峰；

b）尖峰現象只有電磁閥在通氣狀態下測試時才有可能產生，該現象不影響電磁閥的正常關閉動作；

c）通過在銜鐵上增加通氣孔，可消除此尖峰現象。