基于磁場分析的空調(diào)器電磁閥結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

謝標志 眭 敏

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

交流電磁閥是一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、全封閉的電磁電器，多用在空調(diào)制冷等行業(yè)中。電磁閥是利用電磁線圈繞組通過交變電流激法磁場產(chǎn)生電磁吸力，驅(qū)動閥芯運動以開啟或關(guān)閉閥門的結(jié)構(gòu)器件[1-4]，交流電磁電器工作中會產(chǎn)生磁滯、渦流損耗，為減小損耗鐵芯由硅鋼片疊壓而成，而在電磁閥中，由于結(jié)構(gòu)及尺寸特點，一般采用整體的鐵芯和磁軛，電磁損耗更加嚴重，導(dǎo)致電磁閥運行溫升顯著，影響電磁閥的安全運行及壽命[5-8]。其設(shè)計結(jié)構(gòu)、尺寸及計算電磁力值的精準程度決定了系統(tǒng)性能可靠的程度[9]。研究結(jié)果顯示,在不同工作狀態(tài)下精確獲得通過磁軛和鐵芯的磁感應(yīng)值對電磁閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電磁力計算有重要影響[10]。但是,電磁力受數(shù)個參數(shù)影響，只根據(jù)磁芯和磁軛的磁感應(yīng)強度進行計算會導(dǎo)致存在不充分的計算量和較大的誤差[11-12]。為此，找到一種在空調(diào)的各種工作狀態(tài)下有效預(yù)測磁感應(yīng)強度和電磁力的方法是這些問題的解決方案。對磁感應(yīng)強度特性影響因素的研究[13],眾說紛紜。SEG等[14]在這方面做了相關(guān)研究：通過電磁理論推導(dǎo)了電磁制動器所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度公式，利用位勢能理論,成功地對艦船磁場進行了預(yù)測,并對電渦流緩速器電磁力計算公式進行了研究,并運用電磁位對A-Ф-A方法和庫侖規(guī)范實現(xiàn)了三維渦流場定解問題的完整表述[15]。張逸等公開了一種無極變速調(diào)節(jié)的磁流變離合器發(fā)明專利，對永磁體和電磁線圈產(chǎn)生磁場共同作用下的電磁力傳遞提供了預(yù)測與調(diào)節(jié)方法[16]。本文基于位勢能理論和麥克斯韋方程以及三維/二維仿真，根據(jù)電磁閥磁軛和鐵芯處形成的磁場強度進行構(gòu)造電磁閥磁感應(yīng)強度、電磁力的預(yù)測模型，并分析推算某一類型電磁閥內(nèi)鐵芯形成的磁通密度，最終預(yù)測各種工作溫度下的電磁力、磁感應(yīng)，獲得的預(yù)測值與理論計算值基本一致[17]。

1 電磁閥閥芯啟動電磁力計算

選用虛功原理進行計算啟動閥體所需要的電磁力。假設(shè)在空調(diào)器的制冷控制系統(tǒng)中，由n個電磁回路組成閥體與電磁線圈的系統(tǒng)，如圖1和圖2示，假定在磁場的電磁力作用下，系統(tǒng)中某磁路出現(xiàn)相對位移ds，且各回路磁鏈的變化為dψi，則外部電源完成的功的值與電磁閥系統(tǒng)內(nèi)增加能量和磁場力作功總和的值相等[18～20]，即：

外部電源完成的功與系統(tǒng)中電流回路所鏈環(huán)內(nèi)磁通量變化形成的感生電動勢發(fā)生相互抵抗作用[20]，具體如下：

控制系統(tǒng)內(nèi)磁場總能量：

控制系統(tǒng)內(nèi)電磁線圈部分增加儲能：

空調(diào)器的制冷控制系統(tǒng)內(nèi)電磁線圈上的電流通過空調(diào)裝置的控制芯片的高頻變壓器輸出，并且電磁線圈的電感很小，則有dIi=0，從而有：

則：Fds=dWm，并對該式進行轉(zhuǎn)化得：

若系統(tǒng)內(nèi)針閥產(chǎn)生了軸向偏移s，那么針閥在軸向變化過程中受到電磁力F為：

在給定不同結(jié)構(gòu)尺寸值的情況下，可以動態(tài)地描述磁性材料中的渦流在交變電磁場的作用下引起的磁場力的變化。通過這種磁力數(shù)學(xué)模型與鐵磁材料力學(xué)模型結(jié)合，可以動態(tài)描述磁性材料在交變磁場作用下隨磁場變化的動態(tài)力過程。

2 磁感應(yīng)強度模型

假設(shè)某款空調(diào)器電磁閥，針閥長度L1為16 mm，針閥橫截面積A為2 mm2，制冷轉(zhuǎn)換制熱、制熱轉(zhuǎn)換制冷工況閥針關(guān)閉系統(tǒng)高低壓力差分別為1.1 Mpa、1.5 Mpa。若忽略針閥自重，根據(jù)閥針在空調(diào)系統(tǒng)制冷轉(zhuǎn)換制熱、制熱轉(zhuǎn)換制冷工況的正常工作所需要的驅(qū)動力：制冷轉(zhuǎn)換制熱所需電磁閥驅(qū)動力3.5～3.6 N，制熱工況保持所需電磁閥驅(qū)動力5.8～6.0 N，并且線圈溫度升高后保持力不得小于該數(shù)值。

電磁閥中電磁線圈的匝數(shù)、電流強度以及磁軛、針閥材料影響著針閥啟動狀態(tài)下所需電磁閥驅(qū)動力大小，所以，采用合適的電磁線圈結(jié)構(gòu)、針閥材料等參數(shù)能更準確計算獲得針閥啟動所需要的電磁閥驅(qū)動力[20]。

電磁力可精確調(diào)控電磁線圈的三維結(jié)構(gòu)、剖視圖如圖1、圖2所示。其中，磁軛（1）選擇材料為普通鍍鋅鋼板，磁軛（1）與閥座（2）通過螺絲緊固。電磁線圈采取多組漆包線繞組串聯(lián)，通過酚醛樹脂注塑密封。

電磁線圈被磁軛（1）緊密應(yīng)力包裹，無法松動。閥體（6）與閥針（7）通過車刀滾壓緊密連接。閥體（6）與閥座（2）中間安置有彈簧，如圖2。漆包線繞組通電后產(chǎn)生電磁力克服彈簧力、系統(tǒng)流體阻力，推動閥體（6）與閥針（7）運動。

將以上結(jié)構(gòu)簡化為電磁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖，如圖3。

2.1 電磁線圈匝數(shù)選擇

綜合考慮空調(diào)電磁閥結(jié)構(gòu)特征與安裝方式，選用通過銅線進行纏繞10 000匝的電磁閥，常溫條件下其電磁線圈電阻為0.12 Ω左右。通過電源系統(tǒng)輸出不同工作狀態(tài)下所需的直流電，獲得不同工作狀態(tài)下的線圈電流安匝數(shù)，詳細如本文第3節(jié)系統(tǒng)磁場分析。

2.2 針閥材料屬性選用

在電磁線圈通電的條件下，系統(tǒng)中產(chǎn)生磁感應(yīng)強度較大的磁化場，導(dǎo)致存在較強的電磁力作用在針閥上。只有撤去磁化場，針閥上的電磁力才會不存在[20]。為更好實現(xiàn)這一控制效果，需要選用具有軟磁特征的材料作為針閥材料。同時，根據(jù)電磁力強度方面進行選擇，可采用具有相對磁導(dǎo)率μM1.1、剩余磁化強度Br 1.20屬性的軟磁材料作為針閥材料。

2.3 磁軛材料屬性選用

在制冷控制系統(tǒng)工作運行中，因為磁軛固定于空調(diào)器的內(nèi)部，所以不存在載荷沖擊作用于磁軛的情況。因此磁軛的表面需要盡可能的平滑，其材料可以選用非線性磁性材料作。選用磁軛材料B-H的磁化曲線如圖4示。

圖1 電磁力可精確調(diào)控電磁線圈三維結(jié)構(gòu)

圖2 電磁線圈與閥體組成的系統(tǒng)圖

圖3 簡化的電磁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

3 系統(tǒng)磁場的分析

空調(diào)電磁閥的電磁場有限元模擬由ANSOFT的Maxwell 3D / 2D軟件完成[20]?；陔姶啪€圈和針閥建立具有軸對稱特征的系統(tǒng)，該系統(tǒng)求解區(qū)在針閥的軸線方向上。綜合分析發(fā)現(xiàn)，邊界處的場量數(shù)值較大，對其進行強行截斷會產(chǎn)生反射的情況。磁場分析過程中.通過Maxwell2D軟件上氣球邊界功能,使外部區(qū)域設(shè)定為無限遠磁感強度為0的氣球邊界，此時，磁場與邊界不存在垂直或平行的關(guān)系。這樣能有效避免當系統(tǒng)內(nèi)磁場量為零時出現(xiàn)錯誤結(jié)果的情況。

在劃分系統(tǒng)為單元網(wǎng)格過程中，需要選用合理的劃分方式。ANSOFT軟件本身自帶具有功能強大的2D網(wǎng)格生成器（Manual Mesh），使用該2D網(wǎng)格生成器能對系統(tǒng)進行有效自動分割。該工具具有細化鐵芯、針閥、磁軛、電磁線圈及附近區(qū)域的網(wǎng)格密度分布，可設(shè)置與邊界線相匹配的命令，從而完成系統(tǒng)網(wǎng)格的劃分，如圖5所示。

在使用Maxwell3D / 2D軟件的分析和求解過程中，根據(jù)磁軛，針閥，漆包線繞組，閥座等組件的實際尺寸進行生成幾何模型，并指定所選組件(電磁線圈，磁軛，針閥等)材料的屬性，建立無窮遠電磁感應(yīng)強度為零的氣球邊界條件。

空調(diào)冷態(tài)開機時，電磁閥線圈冷態(tài)，線圈溫度為20 ℃。此時，漆包線繞組串聯(lián)組成電磁線圈，空調(diào)制冷與制熱工況轉(zhuǎn)換時漆包線繞組激勵源為117安·匝。設(shè)定電磁力為求解參數(shù)，并進行求解分析，得到求解結(jié)果如圖6，從圖中可見閥針靠近電磁閥處磁感應(yīng)強度、磁力線分布，Y向電磁力FY可準確求解，為FY=21.948 N。

空調(diào)長時間工作后，電磁閥線圈保持通電一段時間后，電磁線圈溫度會逐漸升高，長期工作后更達到熱平衡狀態(tài)，此時線圈熱平衡溫度約為100 ℃。此時，由于漆包線繞組熱平衡態(tài)電阻阻值的變化，線圈激勵源變更為61安·匝。設(shè)置完求解參數(shù)，再次求解結(jié)果如圖7，從圖中可見閥針靠近電磁閥處磁感應(yīng)強度、磁力線分布，Y向電磁力FY可準確求解，為FY=6.967 9 N。

其中，圖7(a)是電磁閥系統(tǒng)的磁感應(yīng)強度圖。由圖可知，針閥靠近電磁線圈的磁感應(yīng)B在空調(diào)冷態(tài)開機與長時間工作后的最大值分別可達到1.456 T和0.822 T。在電磁線圈接上電源的同時，針閥閥體中產(chǎn)生較強的磁感應(yīng)強度，對針閥開啟的動態(tài)特性具有增強作用。圖7(b)是電磁閥系統(tǒng)的磁場線分布圖，在靠近電磁線圈的針閥鐵芯安裝位置的磁力線分布密度最大，針閥位置及其附近的磁力線分布密度較小。

使用Maxwell3D/2D進行分析求解獲得空調(diào)冷態(tài)開機與長時間工作后的軸向電磁力分別為21.948 N和6.968 N，大于克服調(diào)壓彈簧所需要彈力6.0 N分別約16 N和1 N，以此來保證針閥開啟的快速響應(yīng)。另外，根據(jù)分析求解的結(jié)果，針閥在克服調(diào)壓彈簧所需要彈力的同時受到3 N和0.2 N的橫向力，這可能會使針閥在啟動中出現(xiàn)軸心偏移的情況，致使針閥閥體磨損。因此，針閥閥體上部分的材料需要完成表面強化、提高耐磨性的加工工序[20]。

圖4 磁軛材料B-H磁化曲線

圖5 系統(tǒng)磁感應(yīng)強度與磁力線分布圖

電磁線圈為冷態(tài)溫度為20 ℃時，組成電磁線圈的串聯(lián)漆包線繞組為10 000匝時，通過電流從0.000 9到0.017 9 A，本電磁線圈系統(tǒng)輸出的驅(qū)動電磁力的精確值隨電流值變化的曲線（圖8）。

其他各個工況的輸出電磁驅(qū)動力隨電流的變化也可類似模擬得到。

圖6 冷態(tài)開啟電磁閥系統(tǒng)內(nèi)磁感應(yīng)強度-磁力線分布圖

圖7 熱平衡態(tài)電磁閥系統(tǒng)磁感應(yīng)強度-磁力線分布圖

圖8 系統(tǒng)電磁力隨通過電流變化的趨勢曲線

4 結(jié)論

利用虛功原理推導(dǎo)了空調(diào)器電磁閥針閥開啟動作所需電磁力計算方程，定義了電磁力特性計算指標，由Maxwell3D/2D軟件分析求解得到空調(diào)器不同工作狀態(tài)下的電磁閥系統(tǒng)磁感應(yīng)強度與磁力線分布圖及電磁力計算結(jié)果。隨著工作電流的增大，鐵芯處的磁感應(yīng)強度更趨均勻，越靠近鐵芯外表位置時，磁力線分布越密集，靠近電磁線圈的針閥鐵芯安裝位置的磁力線分布最密，軸方向位移和啟閥驅(qū)動力的快速增大。

本文分析了電磁線圈匝數(shù)、針閥材料、磁軛材料等結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料選型，對空調(diào)器不同工況下電磁閥驅(qū)動力的影響，得到了不同工作狀態(tài)對電磁閥驅(qū)動能力的性能曲線，能夠讓針閥在開啟瞬間得到克服系統(tǒng)高低壓力差所需的電磁力，有效地提高了針閥開啟的動態(tài)特性與響應(yīng)能力。設(shè)計同步考慮了針閥在開啟瞬間所受到橫向作用力，仿真模型與動態(tài)驅(qū)動力計算提高了設(shè)計效率，為空調(diào)器高可靠性的電磁閥針閥表面設(shè)計與研究奠定了理論基礎(chǔ)。