汽車空調(diào)電磁閥驅(qū)動性能仿真

林 濤，文傳濤，韓鳳琴

(1.華南理工大學廣州學院電氣工程學院，廣東廣州 510800；2.華南理工大學電力學院，廣東廣州 510640)

引言

近年來隨著我國“一帶一路”政策的帶動，為滿足不同地域、氣候等國家對空調(diào)設備的使用需求與符合相關標準，探究電磁閥的特性顯得尤其迫切。而電磁閥作為空調(diào)的核心部件，國內(nèi)外的研究較少，劉曈昽等[1]發(fā)現(xiàn)閥芯類型、行程和氣隙對電磁閥輸出性能的影響，有利于指導電磁閥的設計。楊琪等[2]利用Ansoft Maxwell選出電磁閥驅(qū)動電壓、電流等參數(shù)與線圈匝數(shù)的最佳組合。陳博聞等[3]提出了一種最大電磁吸力密度的結構優(yōu)化方法并通過數(shù)值仿真加以驗證。馮振偉等[4]提出一種可用于氣動微流控芯片氣壓控制的PDMS電磁微閥并利用MATLAB/Simulink軟件建立模型進行閥芯驅(qū)動力、響應特性等分析。孫賓等[5]建立電磁閥流固耦合模型，開展熱物理場數(shù)值仿真研究，并與實際測試結果進行比較，最大誤差在7.0%以內(nèi)，數(shù)值仿真模型準確度較高是行之有效的研究方法。YANG Meisheng等[6]提出將彈簧設置在電磁鐵動鐵芯頂部的新型電磁閥結構，并建立可靠的數(shù)值模型進行仿真。E L等[7-11]研究大量高速閥的結構與電磁特性的工作機理。WANG Q L等[12]提出Al-Fe軟磁材料，并對磁路結構進行優(yōu)化，有效降低磁路的磁阻，提高磁導率，實現(xiàn)快速響應和強磁力。SUN Z Y等[13]探究驅(qū)動電流和電磁閥的結構參數(shù)包括鐵芯長度、磁極截面積等對靜態(tài)電磁特性的影響，得出輸入電流的大小是電磁場的主要影響因素。電磁力對電磁閥的性能至關重要，是衡量電磁閥性能的重要指標，設計更大的電磁力來提高電磁閥的快速性、更低的啟動電壓成為研究熱點。而電磁力的產(chǎn)生又跟電磁閥線圈結構中產(chǎn)生的勵磁有關，因此對電磁閥線圈結構特性的研究和性能分析顯得尤為重要。本研究以Maxwell電磁有限元軟件中的式(1)～式(4)作為電磁場分析的出發(fā)點，結合實測結果與經(jīng)驗，建立電磁閥2D結構模型，研究線圈結構、匝數(shù)、輸入電壓等參數(shù)對電磁閥的電磁力、響應時間、吸合時間等性能的影響。通過分析電磁閥主體結構的磁感應強度、磁力線的分布，量化線圈結構、驅(qū)動電壓、匝數(shù)對電磁力、負載力、線圈電流、動鐵芯位移及運動速度的影響。為空調(diào)電磁閥的開發(fā)提供參考。

(1)

(2)

▽×D=ρ

(3)

▽×B=0

(4)

1 研究對象

研究對象為常見的柴油發(fā)動機電磁閥，其電磁鐵主體結構如圖1所示。電磁閥的主體結構由動鐵芯、隔磁套管、靜鐵芯、線圈、外殼體、主體、波紋管等組成。該電磁閥利用載流鐵芯線圈產(chǎn)生的電磁力對機械裝置進行調(diào)節(jié)與控制，以完成預期設定動作。其主要工作原理為：當通電時，線圈會產(chǎn)生勵磁作用，進而隨之產(chǎn)生的電磁力會使固定鐵芯吸合動鐵芯，促使閥門打開，制冷劑開始作用，在達到設定溫度值后，線圈斷電，電磁力消失，閥針在彈簧的作用下，將閥體通道堵住，關閉制冷劑循環(huán)，從而起到調(diào)節(jié)溫度的作用。

圖1 電磁鐵主體結構

2 電磁閥的數(shù)值模型

為研究電磁閥主體結構在通電過程中的磁場分布規(guī)律、磁感應強度及電磁鐵的吸力特性,基于Maxwell模塊對電磁閥進行數(shù)值仿真與磁場、磁場力等性能分析。為簡化仿真模型，電磁閥的主體結構簡化為：骨架、棒和求解的區(qū)域均采用真空材料，線圈采用銅質(zhì)材料，活塞、線圈墊片、導管、擋鐵、外殼和動鐵芯均使用軟磁合金材料為C12L14，該材料的磁化曲線如圖2所示。

圖2 C12L14的磁化曲線

因電磁閥主體結構為軸對稱結構，根據(jù)實際尺寸建立二維軸對稱模型。一些螺紋、倒角因不影響計算精確度，在建模時將其進行簡化，簡化后的模型對周圍空氣建模充分考慮了漏磁的影響。因動鐵芯在運動過程中，在動態(tài)計算時網(wǎng)格總是在不斷重新劃分，為減少網(wǎng)格劃分數(shù)量和提高網(wǎng)格質(zhì)量，建立二維瞬態(tài)磁場仿真模型與網(wǎng)格劃分如圖3所示。采用二維結構化網(wǎng)格計算，網(wǎng)格總數(shù)6000，網(wǎng)格質(zhì)量在0.75以上。動鐵芯在全程做直線運動，運動圍繞坐標系為整體坐標系，運動方向選擇Z軸正方向。運動的初始位置為[x=0,z=0]，動鐵芯運動行程為Z軸正方向0.76 mm處，其坐標為[x=0,z=0.76]，動鐵芯的質(zhì)量為0.034 kg，忽略運動摩擦阻力；運動過程中受力根據(jù)胡克定律f=Kx可表示為F=-(K1z1+K2z2)，K為復位彈簧的剛度值，其中K1為動鐵芯與靜鐵芯之間彈簧的剛度值，K1=710，K2為靜鐵芯與波紋管之間彈簧的剛度值，K2=400，負號表示受力方向與運動正方向相反。動鐵芯的工作氣隙為0.76 mm，模型中的線圈繞組匝數(shù)為890匝，線圈激勵電壓為6 V，電阻為10.9 Ω。

圖3 電磁閥的二維瞬態(tài)仿真模型與網(wǎng)格劃分

3 計算結果分析

模擬結果包括線圈匝數(shù)恒定的情況下，圓柱形線圈結構和T字形線圈結構的比較、改變線圈匝數(shù)10個工況，線圈匝數(shù)恒定的條件下，改變線圈結構對電磁力、響應時間、吸合時間等性能參數(shù)的影響，以及結構參數(shù)一定的情況下，電壓對性能參數(shù)的影響。

圖4 不同線圈結構的磁力線分布圖

在額定參數(shù)一定的情況下，圓柱形線圈結構與T字形線圈結構的電磁閥磁場分布以及磁力線分布如圖4～圖5所示。從圖4磁力線的分布圖可以看出不同的線圈結構均存在漏磁現(xiàn)象，但T字形線圈結構的電磁閥在線圈集中的動鐵芯運動區(qū)域內(nèi)磁力線比較集中，且漏磁小。從圖5可知圓柱形線圈結構與T字形線圈結構的電磁閥的磁感應強度最大值分別為1.4 A(Wb/m)和1.5 A(Wb/m)。

圖5 不同線圈結構的磁感應強度分布圖

在動鐵芯的工作氣隙為0.76 mm、驅(qū)動電壓為 6 V 的情況下，波紋管受到的負載力F2、動鐵芯所受到的電磁力F1、運動速度v、位移s及回路電流I隨時間t的變化關系分別如圖6～圖10所示。虛線表示圓柱形線圈各參數(shù)的變化情況，實線則為T字形線圈各參數(shù)的變化情況。綜合分析可知，改變電磁閥線圈的結構，在相同的工況下動鐵芯的各項性能參數(shù)隨時間的變化趨勢基本一致。在圓柱形線圈結構中，由于線圈中存在電感，電流逐漸由0增加至0.2435 A后呈線性增加并在8 ms時線圈電流達到0.2667 A，動鐵芯動作后，速度逐漸變快隨后增加至267.0261 mm/s，在9.6 ms 時與靜鐵芯吸合，運動終止，運動速度為0。即動鐵芯的運動時間為1.8 ms，觸動時間為8 ms，吸合時間為9.8 ms。

當T=20 ms時，T字形線圈與圓柱形線圈的電磁閥各參數(shù)值如表1所示，從表中可以看出T字形線圈的電磁力為9.4575 N較于圓柱形線圈8.5363 N提高10.8%，吸合時間提前0.1 ms。電磁閥的開啟電流與吸合電流仿真測試結果與采用單次觸發(fā)測試法實測均值的相對誤差均在5%以內(nèi)，數(shù)值仿真結果具有一定的參考價值，具體如表2所示。(測試設備為數(shù)字示波器UTD2102-CEL，測量精度為±0.1 mA)根據(jù)麥克斯韋吸力F的的表達式：

表1 優(yōu)化線圈結構前后的各參數(shù)變化情況

表2 開啟電流與吸合電流仿真測試結果與實際測試均值的比較

圖6 時間與電磁力的變化曲線圖

圖7 時間與負載力的變化曲線圖

圖8 時間與速度的變化曲線圖

圖9 時間與位移的變化曲線圖

圖10 時間與電流的變化曲線圖

圖11 驅(qū)動電壓對電磁鐵性能的影響

根據(jù)電磁鐵磁感應強度計算公式：

(5)

其中,N為勵磁線圈匝數(shù);I為勵磁電流，A；Le為有效磁路長度，m；μ為鐵心的磁導率。從圖12可看出線圈匝數(shù)N對電磁鐵性能的影響，在線圈激勵參數(shù)和結構恒定、激勵電壓為6 V，電阻為10.9 Ω的情況下，隨著線圈匝數(shù)從850匝增加到970匝，步長為40匝，工作氣隙為0.76 mm時，動靜鐵芯的吸合時間隨匝數(shù)增加而增加至10.0 ms時趨于穩(wěn)定，隨后吸合時間與電流呈線性，且在850匝時吸合力最優(yōu)。線圈匝數(shù)與吸合時間、吸合力的關系如表3所示。

表3 線圈匝數(shù)與吸合時間、吸合力的關系

圖12 線圈匝數(shù)對動鐵芯性能的影響

4 結論

本研究利用Maxwell有限元分析軟件對汽車空調(diào)電磁閥上的主體結構進行二維瞬態(tài)磁場與特性仿真分析，得出以下結論：

(1) 通過改變磁場強度來影響電磁力，而電磁力可以通過增加線圈的匝數(shù)來改變。在匝數(shù)一定的情況下，改變線圈的結構且電磁力大小與線圈匝數(shù)之間的關系接近線性，T字形線圈的結構更有利于提升局部電磁場強度;

(2) 電磁力與激勵電壓成正比例，額定工況下，T字形線圈受到的電磁力比圓柱形線圈結構大，呈逐漸遞增，且隨著電壓的增加而增加，T字形結構線圈的電磁力線性效果更加受力均勻具有良好的可控性，同時擴展電磁閥的激勵電壓范圍;

(3) 改變電磁閥的響應時間以及應用電壓范圍，除改變電磁閥的磁感應強度，還可以改變動鐵芯與靜鐵芯、靜鐵芯與波紋管之間彈簧的彈性系數(shù)，調(diào)節(jié)T字形線圈結構的梯度角等將是接下來的研究重點。