基于Ansoft Maxwell 的電磁閥響應性能優化設計

龐末紅,馮相霖

（北京航天動力研究所，北京，100076）

0 引 言

空間飛行器上的姿軌控動力系統，在工作過程中需要多次開機、關機及連續脈沖工作，因此電磁閥作為開關執行元件被廣泛應用于其流體控制系統中[1]，為了實現發動機的脈沖工作，電磁閥的開關響應時間必須小于發動機的脈沖工作時間[2]。

目前，利用傳統的經驗公式計算電磁閥的打開響應時間計算較為精確，對電磁閥的關閉響應時間計算不夠準確，經過對相同結構電磁閥響應時間的試驗驗證，Ansoft Maxwell 軟件對于電磁閥的開關響應時間計算均較為精確。因此在某型號動力系統軌控發動機電磁閥設計之初，利用Ansoft Maxwell 軟件對電磁閥的開關響應時間進行仿真計算，通過改變電磁閥的結構尺寸和電磁參數進行變參數化設計，得到電磁閥的開關響應時間，使其滿足動力系統的設計要求，實現發動機脈沖工作。利用Ansoft Maxwell 軟件的變參數化設計，縮短了電磁閥的研制周期，降低了研制成本，提高了工作效率。Ansoft Maxwell[3]軟件以麥克斯韋微分方程為理論基礎，采用有限元離散方法，把電磁場的計算轉化成龐大的矩陣來求解，計算得到銜鐵動作時間、電感和電磁力等物理量，還能以矢量圖和云圖的形式繪制電場強度、標量電位、磁通密度、磁力線和能量等物理量的分布結果。

1 電磁閥的結構及工作原理

利用傳統的設計方法得到的電磁閥的結構如圖1所示，結構簡單緊湊，主要包括線圈組件、銜鐵、閥座和彈簧，電磁鐵的結構形式為螺線管式，利用載流鐵芯線圈產生的電磁吸力來控制機械結構運動。電磁閥的工作原理為：電磁閥未通電時，在介質液壓力和彈簧力的共同作用下，銜鐵密封在閥座上，介質流道切斷；給電磁閥通電，電磁吸力克服阻力，使得銜鐵與線圈組件吸合，介質從入口經過銜鐵進入閥座流向出口。

圖1 電磁閥結構示意Fig.1 The Schematic of the Solenoid Valve

2 電磁閥響應性能優化設計

2.1 電流曲線理論依據

電磁閥的勵磁線圈是感性元件，給電磁閥通電后，線圈電流一般按照指數規律上升，產生的電磁吸力也相應上升，當銜鐵所受到的電磁吸力足以克服受到的負載力時，銜鐵開始運動，銜鐵運動過程中切割磁力線會產生反電動勢，導致線圈電流下降，直至銜鐵與擋鐵吸合，之后電流按照新的指數規律又開始上升直至穩態電流。銜鐵釋放過程與吸合過程原理相同。電磁閥典型的線圈電流曲線如圖2 所示。

圖2 典型的線圈電流曲線Fig.2 The Typical Current Curve of the Coil

2.2 數值仿真計算

a）建立模型。

電磁閥的開關響應時間需通過瞬態磁場仿真計算得到線圈電流曲線，從而得到電磁閥的打開與關閉響應時間，由于該電磁閥為軸對稱結構，因此模型分析類型為二維瞬態仿真計算[5]。電磁閥的二維瞬態仿真模型如圖3 所示，在模型中創建了一個“帶（Band）”包裹住運動體銜鐵，“帶”不能與線圈骨架相交。

圖3 電磁閥二維瞬態仿真模型Fig.3 Two-dimensional Transient Simulation Model of Solenoid Valve

b）運動屬性設置。

模型的運動設置[6]包括運動類型、數據信息及機械信息的設置。設定運動類型為直線運動，運動圍繞坐標系為整體坐標系，運動方向為Z軸正方向，銜鐵運動的初始位置為0 mm，銜鐵運動行程為Z軸正方向0.985 mm，銜鐵的質量為1 kg，阻尼為0.1 (N· s)/m，負載設置為-（85+3.5*Position）N（其中液壓力為73 N，彈簧力為12 N+3.5*Position，3.5 為彈簧剛度，單位為N/mm，12 N 為彈簧安裝力）。

c）定義材料屬性。

設置電磁閥的擋鐵和銜鐵材料為1J117，線圈外殼材料為1J22，隔磁環材料為不銹鋼，線圈材料為銅，其他材料均設置為真空。

d）定義激勵源。

電磁閥的激勵源由外部電路提供給線圈，采用Ansoft Maxwell 軟件中自帶的Maxwell Circuit Editor中的電路元件構成外部控制電路[7]，如圖4 所示，其中線圈電阻為34.6 Ω，線圈匝數為1613 匝，脈沖電壓源如圖5 所示。

圖4 外部控制電路Fig.4 The External Control Circuit

圖5 脈沖電壓源Fig.5 The Pulse Voltage

e）其他設置。

網格劃分采用自適應劃分的網格模型，求解的邊界條件采用氣球邊界條件。

2.3 計算結果分析

采用Ansoft Maxwell 軟件的后處理報告功能，得到線圈電流曲線如圖6 所示，電磁閥的打開時間為43 ms，關閉響應時間為128 ms，在該設計狀態下，電磁閥的打開響應時間能夠滿足動力系統的工作要求，電磁閥的關閉響應時間遠大于發動機的脈沖工作時間，無法實現發動機60 ms 的輸出。

圖6 原設計狀態下線圈電流曲線Fig.6 The Coil’s Current Curve of the Original State

2.4 變參數化設計的響應性能對比

為加快電磁閥關閉響應，可通過改變彈簧力和設置非工作氣隙的方法來實現[8]。由于電磁閥關閉過程中，線圈斷電，電磁吸力逐漸下降為零，驅動電磁閥關閉的唯一作用力是彈簧力，彈簧力越小，驅動電磁閥關閉的作用力越小，電磁閥的關閉響應時間越長，因此可以通過適當加大彈簧初始安裝力和增大彈簧剛度來加快電磁閥的關閉響應。另外，可以通過在銜鐵與擋鐵之間增加不銹鋼無磁墊片來增加電磁鐵的非工作氣隙，以加快電磁閥的關閉響應。

因此下文利用Ansoft Maxwell 軟件的參數化計算功能，兼顧電磁閥的打開響應時間要求及電磁閥的流阻性能要求，改變彈簧的初始安裝力、彈簧剛度和不銹鋼無磁墊片的厚度，得到它們對電磁閥響應時間的影響趨勢，并選取合適的參數以滿足電磁閥的響應性能要求[9]。

a）改變彈簧的初始安裝力。

由于原設計狀態下的電磁閥打開響應時間為43 ms，設計指標要求電磁閥的打開時間不能大于60 ms，因此可以適當加大彈簧的初始安裝力來加快電磁閥的關閉響應。設置彈簧的初始安裝力分別為12 N、18 N 和24 N，對電磁鐵模型進行仿真計算，得到不同彈簧安裝力狀態下的線圈電流曲線如圖7 所示，通過電流曲線得到響應時間結果對比見表1，從表1 中可看出電磁閥的打開響應隨著彈簧初始安裝力的增加而變慢，而電磁閥的關閉響應隨著初始安裝力的增大而加快，并且可看出彈簧安裝力的增大對電磁閥的打開響應影響較小，對電磁閥的關閉響應影響較大，當彈簧的初始安裝力為24 N 時，電磁閥的打開響應時間為46 ms，滿足動力系統設計要求，電磁閥的關閉響應時間為94 ms，比原設計狀態加快了34 ms，因此可將彈簧的初始安裝力設置為24 N。

圖7 不同彈簧安裝力狀態下線圈電流曲線Fig.7 The Current Curve on Different Spring Installation Force

表1 不同彈簧安裝力下電磁閥響應時間對比結果Tab.1 The Compared Result of the Solenoid Valve’s Response on Different Spring Installation Force

b）改變彈簧剛度。

為加快電磁閥的關閉響應，增大彈簧剛度，加大銜鐵關閉時的反作用力。設置彈簧剛度分別為3.5 N/mm、12.7 N/mm 和21.9 N/mm，仿真計算得到不同彈簧剛度下的線圈電流曲線見圖8。

圖8 不同彈簧剛度狀態下線圈電流曲線Fig.8 The Current Curve on Different Spring Stiffness

通過電流曲線得到響應時間結果對比見表2。

表2 不同彈簧剛度下電磁閥響應時間對比結果Tab.2 The Compared Result of the Solenoid Valve’s Response on Different Spring Stiffness

c）改變無磁墊片的厚度。

從表2 可知彈簧剛度的改變對電磁閥的打開響應無影響，對電磁閥的關閉響應影響較大，彈簧剛度越大，電磁閥的關閉響應越快，彈簧剛度增大到21.9 N/mm 時，電磁閥的關閉響應比原設計狀態下關閉響應加快了46 ms，且打開響應滿足動力系統要求，因此可將彈簧剛度增大到21.9 N/mm。

為提高電磁閥的動作響應速度，可在銜鐵與擋鐵之間增加不銹鋼無磁墊片來設置非工作氣隙[10]，但是非工作氣隙應盡量小，且應保證增加無磁墊片后電磁閥的流阻能夠滿足要求。設置無磁墊片的厚度分別為無墊片狀態0 mm、0.1 mm 和0.2 mm，得到電磁閥的線圈電流曲線如圖9 所示，從電流曲線得到電磁閥的響應時間結果對比見表3，從表3 中可看出在銜鐵和擋鐵之間增加不銹鋼無磁墊片對電磁閥的打開響應基本無影響，對電磁閥的關閉響應影響較大，墊片厚度越大，電磁閥的關閉響應越快，但是考慮到墊片厚度越大，電磁閥的行程越小，流阻越大，當無磁墊片的厚度為0.2 mm 時，流阻能夠滿足要求，因此設置不銹鋼無磁墊片的厚度為0.2 mm。

圖9 不同厚度不銹鋼無磁墊片狀態下線圈電流曲線Fig.9 The Current Curve on Different Thickness of the Stainless Steel Gasket with No Magnetic

表3 不同無磁墊片厚度下電磁閥響應時間對比結果Tab.3 The Compared Result of the Solenoid Valve’s Response on Different Thickness of the Stainless Steel Gasket with No Magnetic

3 優化設計與試驗驗證

為了使電磁閥的關閉響應進一步加快，綜合考慮以上因素的影響，將電磁閥的彈簧安裝力設置為24 N，彈簧剛度設置為21.9 N/mm，并在銜鐵和線圈骨架之間增加一個0.2 mm 厚度的不銹鋼無磁墊片，對新設計狀態下的電磁閥模型進行仿真計算，得到電磁閥的線圈電流曲線如圖10 所示，由電流曲線得到電磁閥的打開響應時間為46 ms，關閉響應時間為45 ms。

圖10 優化設計后的電磁閥線圈電流曲線Fig.10 The Current Curve of the Coil after Optimizing the Design

對電磁閥進行投產裝配試驗，得到電磁閥的響應性能數據如表4 所示，電磁閥的打開響應時間為50～53.5 ms，關閉響應時間為42～57 ms，滿足打開時間和關閉時間均不大于60 ms 的要求，可實現發動機60 ms 的輸出。由于仿真計算中未考慮銜鐵運動的摩擦力，電磁閥響應的仿真計算結果比實際測試結果稍快。

表4 優化設計后的電磁閥響應性能表Tab.4 The Response of the Solenoid Valve after Optimizing the Design

4 結 論

本文利用電磁仿真軟件Ansoft Maxwell 對電磁閥進行優化設計，通過增大彈簧安裝力、提高彈簧剛度和在銜鐵與線圈骨架之間增加0.2 mm 厚不銹鋼無磁墊片，使得電磁閥的關閉響應大幅加快，滿足了發動機的響應要求。另一方面，也說明Ansoft Maxwell 仿真軟件能夠在實際工程應用中快速指導設計。