高溫閥用電磁機構溫度場分析與結構參數優化*

胡智敏,蔡志遠,馬少華

(沈陽工業大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 引 言

高溫閥用電磁機構(簡稱高溫電磁機構)廣泛應用于船舶重工、航空航天、測試、加熱、液壓設備等溫度較高的導熱系統領域[1-2]，其工作環境相對極端，因此高溫電磁機構的性能研究、優化設計和多物理場分析受到廣泛關注。

近年來，國內外的學者針對高溫電磁機構開展了豐富的研究。文獻[1-3]從機械結構、控制系統、溫升分析的角度研究了航空電磁閥，并在工程中進行了應用。其中，文獻[2]耦合計算了電磁閥的電磁性能和熱性能，進行了溫度場仿真，但是未針對散熱結構進行優化和改進；文獻[3]分析了應用于航空領域的高溫放氣閥的作用及必要性，給出了設計思路和參考原則。

但是已有文獻關于高溫電磁機構的溫升及結構優化問題，尤其是散熱結構的優化研究較少。綜合考慮高溫電磁驅動機構應用場合和工程需要，開展高溫電磁機構的溫升研究及結構優化對發揮驅動性能、擴寬其應用領域、提升極端工況下的可靠運行時間具有重要的理論意義和應用價值。

綜合以上分析，本文以1臺已批量化生產應用的24 V直流高溫閥用電磁機構為研究對象，采用電磁場及溫度場分析方法研究了該電磁機構的電磁場和溫度場分布。為了滿足應用于高溫環境的需要，在現有結構上提出了一種“線圈分段+段間導熱環+外殼散熱板”的新型結構，并對新型結構中的關鍵參數進行了綜合優化和優化結果仿真檢驗，得到了新型結構的溫度場分布，并綜合對比評價：(1)原結構;(2)原結構+散熱板;(3)原外殼+線圈分段;(4)線圈分段+段間導熱環+外殼散熱板的溫度分布。最后，對優化后的電磁機構進行了試驗驗證，證明了該研究的正確性和合理性。

1 高溫電磁驅動機構的結構

1.1 高溫電磁驅動機構的結構及參數

圖1為24 V直流高溫電磁機構主要結構圖，包括靜鐵心、外殼、線圈、隔磁環、動鐵心、下端蓋等部件。

圖1 高溫閥用電磁機構結構圖

控制器可根據指令信號向線圈通電和斷電，進而控制動鐵心處于釋放和吸合狀態。高溫航空用電磁閥參數如表1所示。

表1 高溫航空用電磁閥參數表

本文所研究的電磁機構是已批量化生產應用的產品，原工作環境溫度低于200 ℃，其安全運行的溫度限值為250 ℃。為了對現有產品進行改造，使其具有在高溫下安全可靠運行的能力，避免因重新生產高絕緣等級的產品，造成產品及資源的浪費，以下內容均是在現有結構上進行的改進和優化設計。

1.2 高溫電磁驅動機構的部件材料

動鐵心材料為1J22，屬于高飽和磁感應強度的鐵鈷釩軟磁合金；靜鐵心材料為DT4E，具有價格便宜、加工方便的優勢[4]，外殼及下端蓋也采用DT4E材料。

圖2為2種材料的B-H測試曲線圖。測試時1J22的磁感應強度達到了2.43 T，DT4E的磁感應強度達到了1.67 T。

圖2 導磁材料的B-H曲線

線圈采用銅合金，電導率為5.8×107s/m隔磁環采用鋁合金，電導率為3.3×107s/m[5]。

2 優化前的高溫電磁機構溫度場分析

2.1 溫度場分析基礎理論

高溫電磁機構的線圈采用24 V直流電源供電，損耗為線圈的直流銅耗。由傳熱學基本理論可知，熱量總是自發的由高溫區域傳遞至低溫區域，因此部件溫度最終會趨于穩定。穩態熱分析的能量平衡方程以矩陣形式表示：

[K]{T}={Q}

(1)

式中：[K]為熱傳導矩陣，包含熱系數、對流系數及輻射和形狀系數；{T}為節點溫度向量；{Q}為節點熱流率向量，包括生成熱。

傳熱方式主要包括3種：熱傳導、熱對流和熱輻射[6]。理論公式為

(2)

式中：Qcon、Qcon2、Qrad分別表示熱傳導、熱對流、熱輻射時的流量；λ為導熱系數；A1導熱面積；dT/dx為溫度梯度；h為對流換熱系數；A2為對流面積；ΔT為對流時兩介質的溫度差；σ1為斯特潘-玻爾茲曼常數(黑體常數)；ε1為熱輻射率(黑度)；A3為輻射面1的面積；F12為輻射面1到輻射2面的形狀系數；T1為輻射面1的熱力學溫度；T2為輻射面2的熱力學溫度。

結合該模型的實際工況，因為該溫度下電磁機構材料顏色、結構所對應的熱輻射強度較低，所以考慮的傳熱方式主要為熱傳導和熱對流。同時需要說明的是，式(1)和式(2)均為溫度場分析的理論基礎或矩陣表征，下文將給出求解時的邊界條件以及材料屬性。

2.2 電磁場分析及損耗計算

圖3為高溫電磁機構額定工況下的銅耗分布。損耗主要集中在線圈處，損耗密度平均值約為1.11×106W/m3。

圖3 額定工況下的直流銅耗分布

由圖3可知，直流銅耗在部分區域分布不均勻，這是由于在模型求解時，有限元計算的是高斯積分點上的損耗，而顯示的則是節點上的損耗[7]。

2.3 溫度場求解邊界條件

在進行溫度場求解時，將電磁場中求得的線圈損耗作為溫度場求解時的熱源，此外依據電磁機構的實際結構，考慮裝配間隙和接觸方式，正確添加相應的邊界條件，由第2.1節的相關理論：散熱方式為熱傳導以及熱對流，設置不同材料的熱導率以及材料的表面散熱系數，模型各部件材料的熱傳導率如表2所示。

表2 電磁機構各部件材料的熱傳導率 W/(K·m)

同時，設置外殼與空氣之間的對流換熱系數，主要為自然對流方式，采用簡化空氣模型所對應的對流散熱系數，數值為5×10-6W·mm-2·K-1，以上便是邊界條件的設置。

2.4 優化前的溫度場求解

基于以上分析，對優化前的高溫電磁機構溫度分布進行研究，結果如圖4所示(環境溫度：200 ℃)。

圖4 優化前的溫度分布

從圖4可以看出，優化前的高溫電磁機構達到穩態時最高溫度為278.29 ℃，主要分布在線圈處；最低溫度為277.39 ℃，主要分布在動鐵心底部。這是由于線圈為內部生熱源，動鐵心底部遠離線圈，溫度相對較低。由于各部件相對緊湊、益于傳熱，整個機構溫度差小于1 K。結合表1可知，優化前的結構不能滿足該要求。

3 高溫電磁機構的優化設計及分析

由第2節分析可知，高溫電磁機構的結構需要進行優化，在考慮安裝尺寸限制的情況下，進一步提升散熱能力，滿足高溫環境下的工作要求。本節分別從線圈的角度和外殼的角度出發，提出了一種“線圈分段+段間導熱環+外殼散熱板”新型結構。

3.1 線圈分段+段間導熱環結構設計

“線圈分段+段間導熱環”結構示意圖如圖5所示。

圖5 “線圈分段+段間導熱環”結構

原設計方案中的線圈設計匝數為1 500匝，總電阻設計為R；在所提出的“線圈分段+段間導熱環”結構中，將線圈分為2段式結構，每段匝數為750匝，分段之間用截面積較大、長度較短的銅導線鏈接，連接點焊接，因此連接線電阻及接觸電阻可以忽略，即兩段式線圈總電阻依然保持為R，2個分段線圈之間加裝段間導熱環，導熱環采用傳導率較高的鋁合金，能更快降低線圈溫升。

3.2 外殼散熱板結構設計及優化

3.2.1 正交試驗設計及結果

為了進一步改進散熱結構，在原外殼的基礎上設計了外殼散熱板結構(圖6)，將以下3個參數作為優化變量：散熱板徑向高度h、散熱板的厚度w以及散熱板的個數n。

圖6 “外殼散熱板結構”結構示意圖

從散熱的角度分析，散熱板徑向高度h越大，散熱效果越明顯[8]；但工程中要根據產品的實際尺寸來正確設計，此外散熱板的厚度w和個數n也會影響散熱面積，因此需要從正交試驗的角度，確定h、w和n最佳組合，最大程度降低溫升。試驗因素和水平表如表3所示。

表3 試驗因素和水平

考慮安裝尺寸限制和加工工藝的情況下，設置了4個水平，即優化任務包含三因素四水平。采用全因素分析，分析次數至少為64次，而采用正交試驗的方法僅需要16次[9]。

在溫度場中進行16組仿真求解溫度分布，對求解出的16組最高溫度進行直觀極差分析，為了便于對比，將散熱板的厚度w作為第三變量，溫度變化如圖7所示。

圖7 三因素四水平下的最高溫度分布

通過極差分析和圖7，得到影響散熱效果的主次因素依次為n>h>w，最優參數組合為n=30，h=3.0 mm，w=1.2 mm。

3.2.2 正交試驗方差分析

考慮極差分析存在不足，即不能分析試驗的誤差，同時也不能充分的利用試驗數據所提供的信息[10-11]。為了評估正交試驗的誤差大小并精確地估計出各個因素對試驗結果的重要程度，需開展顯著性檢驗，采用方差檢驗對結果驗證，結果如表4所示。

表4 方差分析表

表4中，SS表示離差平方和，df表示自由度，MS表示平均離差平方和，F為F值。本文完成了α=0.01、α=0.05、α=0.10 3個不同水平的顯著性檢驗。由檢驗結果可知，因素n對試驗指標存在明顯影響，其次是因素h，最后是因素w，方差檢驗與極差法直觀分析所示的結果相一致。

4 優化設計后的高溫閥用電磁機構溫度場分析及對比

4.1 優化設計后的溫度分析結果

4.1.1 原外殼+線圈分段+段間導熱環結構

圖8為“線圈分段+段間導熱環”的溫度分布。與優化前的溫度(圖4)相比，溫度平均下降了10 K。由于所研究的高溫電磁機構結構緊湊、尺寸較小，線圈分段對于溫度分布影響較小，但是對于體積較大的電磁機構產品，可以嘗試將線圈分為合適的段數，增大散熱面積以優化溫度分布。

圖8 “線圈分段+段間導熱環”的溫度分布

4.1.2 外殼散熱板+原線圈結構

添加散熱板，散熱板材料為導熱性良好的鋁合金材料，散熱板與周圍空氣之間的換熱方式依然為自然對流換熱，邊界條件具體數值的設定同第2.3節。為了保證求解精度的準確性，在電磁場和溫度場中均應該對模型進行合理的剖分，模型剖分如圖9所示。

圖9 外殼散熱板+原線圈結構剖分圖

圖10為“外殼散熱板+原線圈”結構的溫度分布，即線圈不分段，但是采用外殼散熱板結構。與優化前的溫度(圖4)相比，溫度平均下降了36 K，散熱效果明顯。

圖10 外殼散熱板+原線圈結構溫度分布

4.1.3 線圈分段+段間導熱環+外殼散熱板新型結構

圖11為新結構的溫度分布。

圖11 線圈分段+段間導熱環+外殼散熱板結構溫度分布

與優化前的溫度(圖4)相比，最高溫度平均下降了37 K。雖然與第4.2節中的“外殼散熱板+原線圈”結構的溫度分布相差較小，但是整個機構中低溫區域明顯增多，且線圈分段結構利于批量化、模塊化生產，在電磁機構線圈出現故障時，容易分段排查故障并進行替換，可以避免浪費導線材料。

4.2 優化后的溫度結果對比

圖12為原結構、原外殼+線圈分段+段間導熱環、外殼散熱板+原線圈結構及優化后的新結構最高溫度、最低溫度的對比情況。

圖12 優化前后的最高、最低溫度結果對比

可以看出：(1)原結構中的最高溫度為278.29 ℃，最低溫度為277.39 ℃，采用所提出的“線圈分段+段間導熱環+外殼散熱板”新型結構后最高溫度下降為241.23 ℃，最低溫度為238.98 ℃，最高溫度降低了37.06 K，最低溫度降低了38.41 K，以原結構為基值，溫度下降約13.32%；(2) 在原線圈結構的基礎上增加外殼散熱板，散熱能力明顯增強，溫度降低效果顯著；(3) 優化后采用“線圈分段+段間導熱環+外殼散熱板”結構，溫度降低最為明顯，雖然與“外殼散熱板+原線圈結構”相比溫度降低不太明顯，但部件的最高溫度與最低溫度之間的溫度差由0.46 K增加至2.25 K，且線圈分段結構在實際生產安裝及故障檢測時具有明顯優勢。

5 優化設計前后的電磁機構試驗驗證

為了驗證所提出結構的合理性以及上述溫度場分析結果的準確性，對優化設計前后的電磁驅動進行溫升試驗。試驗中溫升試驗箱最高保持溫度為150 ℃，受試驗條件限制，選擇2個溫度點進行試驗(140 ℃和150 ℃)。試驗設備以及對現有結構的改進實物如圖13所示。

圖13 電磁機構試驗驗證

采用電阻法測線圈溫升，熱電偶和紅外線溫槍測表面溫升。電阻法測線圈溫升的原理為

(3)

式中：Δt為所求線圈溫升；R1為冷態電阻；R2為熱態電阻；銅導線時k的取值為234.5，t1為開始時的溫度；t2為結束時的溫度。

因為溫升試驗箱為恒溫箱，所以在本試驗中，t2-t1接近為零，可忽略不計。

按照試驗原理，測得的不同溫度下的電阻值如表5所示。

表5 不同溫度下測量的電阻值

由式(3)求得的試驗溫升數值與溫度場仿真計算的數值對比,如表6所示。

由表6數據分析對比可知，試驗溫升與仿真溫升在數值上相差較小，在誤差允許范圍內。由此，證明了上述分析的合理性以及所提新結構的工程實用性。

表6 試驗溫升與仿真溫升對比

6 結 語

本文針對高溫閥用電磁機構行業的工程需求，提出了一種“線圈分段+段間導熱環+外殼散熱板”新型結構，采用電磁場、溫度場分析方法及正交試驗優化原理，對其溫度場分布進行了研究，并與優化前的結構進行了對比，最后加工樣機進行了試驗驗證。主要創新及結論如下。

(1) 該機構中各部件相對緊湊、導熱良好，因此各部件的穩態溫差相對較小，高溫區域較多，優化前的線圈溫升較高，不能滿足運行要求。

(2) 基于現有結構，提出了一種“線圈分段+段間導熱環+外殼散熱板”新型結構，采用正交試驗原理得到的參數優化結構，在考慮安裝尺寸的情況下最大程度發揮了機構的散熱能力，以原結構中溫度為基值，溫度下降了約13.32%。

(3) 分別研究了原結構、原結構+散熱板、原外殼+線圈分段、線圈分段+段間導熱環+外溫度分布殼散熱板，其中“線圈分段”結構便于線圈的模塊化繞制，工程應用中可以以有限個最小線圈單元進行級連，發生故障時易排查替換故障單元；“段間導熱環”利于線圈單元的熱量向外殼散熱；“外殼散熱板”進一步增強了機構的散熱能力，降低機構溫升，實現了可靠運行，工程中可根據需要選擇“僅線圈分段”、“僅外殼散熱板”和“線圈分段+外殼散熱板”等結構，以滿足實際應用。

綜合以上結論，本文中所涉及的分析及優化思路、新型散熱結構對于研究高溫閥用電磁機構的溫度場分布、熱性能評價具有重要參考，為其他電磁線圈的工程應用領域提供了有價值的參考。