螺紋插裝電磁換向閥電磁鐵磁路分析與設計研究*

劉 釗,張鵬鵬,陸 亮,朱玉田

(同濟大學 機械與能源工程學院,上海 201804)

0 引 言

螺紋插裝閥是繼管式、板式、疊加式、二通插裝式后出現的第5種連接方式的閥[1],在中小流量的工程機械中應用廣泛[2]。20世紀末期,結合電磁控制與插裝技術的螺紋插裝電磁閥得到了快速發展。其中,電磁鐵是其重要部件[3,4],電磁鐵的結構形式和設計參數對其工作性能有很大的影響[5]。在有關于該領域的相關研究中,國外對電磁閥及電磁鐵研究的時間較長[6,7],而我國起步較晚,并且國內的研究主要集中在以寧波海宏為代表的液壓企業,以及以浙江大學為代表的大學或研究機構[8]。

國內外有很多關于電磁閥中電磁鐵的研究。李威[9]采用理論分析、有限元仿真、實驗研究等方法,研究分析了影響耐壓高速開關電磁鐵的關鍵結構參數。杜金鳳[10]使用AnsoftMaxwell軟件對螺紋插裝電磁換向閥的電磁鐵進行了有限元仿真,對吸力的仿真結果表明所設計的電磁鐵可以可靠地完成液壓閥的開啟和關閉。王旭平等[11]采用數學模型和有限元仿真模型分析了電磁鐵主副繞組的電磁特性,對于研究無位移傳感器檢測動鐵位置具有一定的理論意義。祝聰等[12]基于電磁場理論和Maxwell仿真軟件,分析了螺管式電磁鐵的靜態吸力特性和動態吸合過程,并進行了實驗驗證,證明動態吸合過程中吸力的穩定值與靜態相同氣隙條件下是相等的。LIU Q等[13]通過實驗和數值方法分析了直動式電磁閥的電磁力,并優化了電磁閥結構。SUN Z Y等[14]研究了電磁閥中的電磁能量轉換,并研究了驅動電流和磁路中的基本結構參數對靜態電磁力的影響。WANG L等[15]采用數值模擬的方法，研究了鐵芯截面積和安培匝數對靜態電磁特性的影響,對鐵芯的結構進行了重新設計,以實現其強電磁性能。

盡管有很多學者和研究機構針對電磁鐵結構參數的影響做了有限元仿真分析,但并沒有進行比較全面系統地分析;而且有些僅僅分析了結構參數對電磁鐵初始吸力的影響[16]13。為了滿足我國對電磁閥性能更高的要求,迫切需要更多地研究電磁鐵的結構參數對性能的影響。

本文基于Maxwell電磁有限元仿真分析模型,以某一螺紋插裝電磁換向閥為研究對象,研究線圈外殼厚度、斷磁厚度、銜鐵吸合錐角和隔磁環等結構參數對電磁鐵吸力特性的影響,并且分析不同結構對電磁鐵行程力曲線的影響。

1 開關閥電磁場有限元模型

1.1 有限元模型建立

基于國外某型號二位三通螺紋插裝電磁換向閥,筆者設計出一種新的開關電磁閥,被分析螺紋插裝開關閥的結構及工作原理如圖1所示。

圖1 被分析螺紋插裝開關閥的結構及工作原理圖

圖1中,電磁鐵采用上拉式結構,隔磁環與閥體采用螺紋連接的方式。當電磁鐵通電時,處于2—3工作狀態,斷電時處于2—1工作狀態,工作行程為3 mm。

在此處的設計樣本中,開關電磁鐵組件是關于中心軸對稱的結構。該開關電磁鐵的詳細構造如圖2所示。

圖2 被分析開關電磁鐵詳細構造1—擋鐵;2—銜鐵;3—閥芯;4—閥體;5—隔磁環;6,7,8—線圈外殼;9—線圈

圖2中,十字網格填充部分是線圈,材料為銅;斜線填充部分是導磁材料,型號為steel-1010;無填充部分是隔磁環,材料為不導磁材料12l14,可以看作是空氣。

為便于計算和針對性仿真,筆者將電磁鐵結構組件進行簡化,如圖3所示。

圖3 電磁鐵簡化分析

圖3(a)為仿真分析簡化結構模型,其中的封閉線為磁回路。圖3(b)將磁路與電路類比,得出簡化分析的類比電路,滿足磁路歐姆定律[16]24,即:

NI=?·∑R

(1)

式中:NI—線圈安匝數,A;?—磁回路磁通量,Wb;R—磁阻,H-1。

1.2 仿真參數及設置

由于電磁鐵組件為中心軸對稱結構,可用ANSYS Maxwell的二維磁場進行分析。Maxwell的二維靜態磁場求解原理滿足的方程為[17]:

B=▽×A=μH=u0urH

(2)

(3)

式中:B—磁感應強度,Wb/m2或T;A—矢量磁位,Wb/m;μ—介質的磁導率,H/m;μ0—真空磁導率,H/m;ur—相對磁導率;H—磁場強度,A/m;AZ—關于Z軸對稱結構的矢量磁位,Wb/m;Jz—傳導電流密度矢量,A/m2。

此處Maxwell運用有限元方法,根據式(2,3)即可求得磁感應強度、磁場強度、矢量磁位的分布。用磁感應強度B可求得銜鐵所受到的吸力大小,求解吸力的麥克斯韋方程如下:

(4)

式中:F—銜鐵吸力,N;B—工作氣隙處磁感應強度,T;S—磁路截面積,m2。

筆者運用Maxwell仿真分析電磁鐵吸力特性,需先導入仿真分析模型,設置為關于Z軸對稱;然后從材料庫中進行選擇,并設置各部分材料,接著設置邊界條件為關于Z軸對稱結構專屬的氣球邊界條件;同時設置激勵及線圈安匝數,最后劃分網格,并進行檢驗和求解。

2 電磁鐵吸合力特性分析與改進

在電磁鐵組件中,線圈外殼厚度、斷磁厚度、銜鐵吸合錐角和隔磁環都會影響電磁鐵吸力特性。根據圖3(b)的磁路類比電路,線圈外殼厚度影響鐵磁磁阻的大小,斷磁厚度影響斷磁磁阻的大小,銜鐵端部吸合面錐角影響氣隙磁阻的大小,隔磁環影響漏磁磁阻的大小。

2.1 線圈外殼厚度的影響與改進

線圈外殼厚度影響鐵磁磁阻的大小,軸向外殼厚度和徑向外殼厚度是影響電磁鐵吸力特性的結構參數。

線圈外殼厚度分析模型及仿真結果如圖4所示。

圖4 線圈外殼厚度分析模型及仿真結果

由圖4(c,d)可知:軸向和徑向外殼厚度對吸力的影響曲線的拐點均在1 mm附近,當軸向和徑向外殼厚度大于1 mm時,外殼厚度對最大工作氣隙時的吸力影響很小。因此，在外殼盡可能輕的情況下,要保證其最薄處的厚度要大于1 mm,否則會使電磁力有明顯的減小。

2.2 斷磁厚度的影響與改進

在電磁閥的實際設計中,也有銜鐵外殼為完全不導磁材料的情況,在滿足換向力大小的前提下,便于閥體整體的制造加工。此處將外殼為完全不導磁材料的情況稱為斷磁。

斷磁仿真分析模型如圖5所示。

圖5 斷磁仿真分析模型

斷磁厚度影響斷磁磁阻的大小,從而影響電磁鐵吸力特性。進行仿真分析時,將斷磁厚度從0～3 mm每隔0.5 mm取一個值。

不同斷磁厚度下的行程-吸力曲線如圖6所示。

圖6 不同斷磁厚度的行程-吸力曲線

由圖6可知:當工作氣隙較小時,斷磁厚度對吸力的影響很小;當工作氣隙較大時,斷磁厚度對吸力的影響較大,這是由于磁感應強度的變化導致各部分磁阻的大小關系發生變化。

根據磁場原理及磁性材料特性分析可知:工作氣隙較小時,氣隙附近的磁感應強度很大,最大超過2 T,導磁材料達到磁飽和狀態,此時鐵磁材料的磁導率會減小許多,鐵磁磁阻急劇增大,甚至超過斷磁磁阻大小,從而使斷磁磁阻的影響較小;工作氣隙較大時,氣隙附近的磁感應強度很小,例如工作氣隙為3 mm時僅為0.7 T左右,此時鐵磁磁阻較小,斷磁磁阻和氣隙磁阻大小相當,都比鐵磁磁阻大很多,從而使斷磁磁阻對電磁吸力的影響比較大。

因此,若銜鐵外殼為完全不導磁材料,要根據最大工作氣隙選擇不導磁材料厚度—斷磁厚度,斷磁厚度超過最大工作氣隙,吸力會減小50%以上。故斷磁厚度要盡可能地小于最大工作氣隙,而且越小越好。

2.3 吸合面錐角的影響與改進

吸合面錐角影響氣隙磁阻的大小,從而影響電磁力大小。銜鐵吸合面錐角仿真分析模型及參數如圖7所示。

圖7 銜鐵吸合面錐角仿真分析模型及參數

由圖7(b)中的幾何關系可知:

(5)

吸合面錐角結構參數取值如表1所示(將錐角超過軸線的模型剔除)。

表1 吸合面錐角結構參數取值表

筆者在3 mm工作氣隙下進行仿真分析,得到不同l、α和θ對電磁吸力的影響圖，如圖8所示。

深度軸l-θ表示l和θ不同組合參數對吸力的影響。

由圖8可知:θ取值為60°～70°,a取值為0.6 mm～1 mm,l取值為3 mm～4 mm時,吸力較大。

圖8 不同l、a和θ對電磁吸力的影響

為進一步研究a超過1 mm時其對吸力的影響,筆者在l取3 mm～4 mm,θ取60°～70°的情況下,研究a取值為0～2 mm時的吸力大小。

a對吸力的影響圖如圖9所示。

圖9 a對吸力的影響圖

由圖9可知:a取值范圍在0.6 mm～1.4 mm時吸力較大,均大于32 N。

綜上所述,可以確定使得吸力最大的銜鐵吸合面錐角參數范圍為:l取3 mm～4 mm,θ取60°～70°,a取0.6 mm～1.4 mm。

接下來,筆者選取上述范圍內某一模型,研究有無銜鐵吸合面錐角對電磁鐵行程力特性的影響。

有無錐角行程力曲線對比如圖10所示。

圖10 有無錐角行程力曲線對比

由圖10可知:錐面可以明顯改善銜鐵完全吸合時吸力急劇上升的現象,有利于閥芯的平穩運動，并且增大了氣隙較大時的吸力,保證電磁閥的正常工作。

2.4 隔磁環的影響與改進

隔磁環是電磁鐵組件中的重要部分,其保證了磁力線通過氣隙和銜鐵,形成完整的磁回路,避免造成磁力線的“短路”現象。隔磁環厚度是可能影響電磁吸力的因素。此外,將隔磁環材料換成導磁材料,可以定量研究有無隔磁環對吸力的影響。

隔磁環仿真分析模型建立在吸合面有錐角的基礎上,隔磁環仿真分析模型及仿真結果如圖11所示。

由圖11(b)可知:隔磁環厚度的變化對吸力幾乎沒有影響。這是因為隔磁環的厚度對磁回路的長度和整體磁阻的影響很小,對吸力的影響很小;

由圖11(c)可知:在銜鐵有錐角的情況下,隔磁環對吸力的增加很明顯;沒有隔磁環會使電磁吸力減小了約30%。

圖11 隔磁環仿真分析模型及仿真結果

3 綜合改進模型及分析

綜合上述結構改進分析,筆者在原模型圖3(a)的基礎上修改吸合面錐角參數為:l取4 mm,θ取60°,a取0.6 mm,修改線圈外殼厚度為1 mm,然后對此進行仿真研究,并對比兩者的行程力曲線。

綜合結構改進模型及仿真結果如圖12所示。

圖12 綜合結構改進模型及仿真結果

由圖12(b)可以看出:改進后的模型使最大工作氣隙時的吸力增大了約30%,更有利于滿足換向功能;而且在吸合過程中,吸力明顯增長得更加緩慢,吸合時吸力減小了約50%,緩解了吸合過程中吸力急劇增加的現象,使閥芯換向運動更加平穩。

為分析結構改進與原模型的磁場分布特性,筆者通過仿真得到了兩者的磁力線分布。

結構改進前后的磁力線分布如圖13所示。

由圖13可知:原模型漏磁比較多,磁力線在氣隙處也不夠多;改進后模型漏磁磁力線明顯減少,而且磁力線大部分集中在錐形吸合面。以上結果說明,結構改進后更有利于改善氣隙處磁感應強度和磁力線分布,證明了其結構改進的合理性。

4 結束語

電磁鐵組件是影響螺紋插裝電磁閥性能的關鍵結構之一,筆者基于有限元分析模型,仿真研究了影響電磁鐵吸力特性的部分結構參數,包括線圈外殼厚度、斷磁厚度、銜鐵吸合錐角和隔磁環。研究結果表明:

(1)在線圈外殼盡可能輕的情況下,要保證最薄處的厚度大于1 mm,否則會使電磁力有很明顯的減小;

(2)若需要斷磁結構,斷磁厚度要盡可能地小于最大工作氣隙,而且越小越好,超過最大工作氣隙時,吸力會減小了50%以上;

(3)銜鐵吸合面錐角有利于改善銜鐵完全吸合時吸力急劇上升的狀況,綜合考慮各種結構參數,筆者給出了使得吸力較大時的參數范圍;

(4)隔磁環厚度對電磁吸力特性影響微小;有無隔磁環對電磁吸力的影響很大,沒有隔磁環電磁吸力減小了約30%。

基于以上的改進措施,筆者提出了綜合改進模型,使電磁換向閥獲得了更好的換向能力和更平穩的換向運動特性。

在后續的研究中,筆者將對改進后的電磁換向閥進行實際的試驗驗證,并與仿真研究的結果作比較。