高溫閥用電磁機(jī)構(gòu)溫度場分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化*

胡智敏,蔡志遠(yuǎn),馬少華

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 引 言

高溫閥用電磁機(jī)構(gòu)(簡稱高溫電磁機(jī)構(gòu))廣泛應(yīng)用于船舶重工、航空航天、測試、加熱、液壓設(shè)備等溫度較高的導(dǎo)熱系統(tǒng)領(lǐng)域[1-2]，其工作環(huán)境相對極端，因此高溫電磁機(jī)構(gòu)的性能研究、優(yōu)化設(shè)計(jì)和多物理場分析受到廣泛關(guān)注。

近年來，國內(nèi)外的學(xué)者針對高溫電磁機(jī)構(gòu)開展了豐富的研究。文獻(xiàn)[1-3]從機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、溫升分析的角度研究了航空電磁閥，并在工程中進(jìn)行了應(yīng)用。其中，文獻(xiàn)[2]耦合計(jì)算了電磁閥的電磁性能和熱性能，進(jìn)行了溫度場仿真，但是未針對散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)；文獻(xiàn)[3]分析了應(yīng)用于航空領(lǐng)域的高溫放氣閥的作用及必要性，給出了設(shè)計(jì)思路和參考原則。

但是已有文獻(xiàn)關(guān)于高溫電磁機(jī)構(gòu)的溫升及結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，尤其是散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究較少。綜合考慮高溫電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用場合和工程需要，開展高溫電磁機(jī)構(gòu)的溫升研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化對發(fā)揮驅(qū)動(dòng)性能、擴(kuò)寬其應(yīng)用領(lǐng)域、提升極端工況下的可靠運(yùn)行時(shí)間具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

綜合以上分析，本文以1臺(tái)已批量化生產(chǎn)應(yīng)用的24 V直流高溫閥用電磁機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的電磁場和溫度場分布。為了滿足應(yīng)用于高溫環(huán)境的需要，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上提出了一種“線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)+外殼散熱板”的新型結(jié)構(gòu)，并對新型結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了綜合優(yōu)化和優(yōu)化結(jié)果仿真檢驗(yàn)，得到了新型結(jié)構(gòu)的溫度場分布，并綜合對比評價(jià)：(1)原結(jié)構(gòu);(2)原結(jié)構(gòu)+散熱板;(3)原外殼+線圈分段;(4)線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)+外殼散熱板的溫度分布。最后，對優(yōu)化后的電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該研究的正確性和合理性。

1 高溫電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

1.1 高溫電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖1為24 V直流高溫電磁機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)圖，包括靜鐵心、外殼、線圈、隔磁環(huán)、動(dòng)鐵心、下端蓋等部件。

圖1 高溫閥用電磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

控制器可根據(jù)指令信號(hào)向線圈通電和斷電，進(jìn)而控制動(dòng)鐵心處于釋放和吸合狀態(tài)。高溫航空用電磁閥參數(shù)如表1所示。

表1 高溫航空用電磁閥參數(shù)表

本文所研究的電磁機(jī)構(gòu)是已批量化生產(chǎn)應(yīng)用的產(chǎn)品，原工作環(huán)境溫度低于200 ℃，其安全運(yùn)行的溫度限值為250 ℃。為了對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行改造，使其具有在高溫下安全可靠運(yùn)行的能力，避免因重新生產(chǎn)高絕緣等級(jí)的產(chǎn)品，造成產(chǎn)品及資源的浪費(fèi)，以下內(nèi)容均是在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 高溫電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的部件材料

動(dòng)鐵心材料為1J22，屬于高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的鐵鈷釩軟磁合金；靜鐵心材料為DT4E，具有價(jià)格便宜、加工方便的優(yōu)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(shí)1J22的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到了2.43 T，DT4E的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到了1.67 T。

圖2 導(dǎo)磁材料的B-H曲線

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

2 優(yōu)化前的高溫電磁機(jī)構(gòu)溫度場分析

2.1 溫度場分析基礎(chǔ)理論

高溫電磁機(jī)構(gòu)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(xué)基本理論可知，熱量總是自發(fā)的由高溫區(qū)域傳遞至低溫區(qū)域，因此部件溫度最終會(huì)趨于穩(wěn)定。穩(wěn)態(tài)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(dǎo)矩陣，包含熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù)；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包括生成熱。

傳熱方式主要包括3種：熱傳導(dǎo)、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(dǎo)、熱對流、熱輻射時(shí)的流量；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；A1導(dǎo)熱面積；dT/dx為溫度梯度；h為對流換熱系數(shù)；A2為對流面積；ΔT為對流時(shí)兩介質(zhì)的溫度差；σ1為斯特潘-玻爾茲曼常數(shù)(黑體常數(shù))；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(shù)；T1為輻射面1的熱力學(xué)溫度；T2為輻射面2的熱力學(xué)溫度。

結(jié)合該模型的實(shí)際工況，因?yàn)樵摐囟认码姶艡C(jī)構(gòu)材料顏色、結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度較低，所以考慮的傳熱方式主要為熱傳導(dǎo)和熱對流。同時(shí)需要說明的是，式(1)和式(2)均為溫度場分析的理論基礎(chǔ)或矩陣表征，下文將給出求解時(shí)的邊界條件以及材料屬性。

2.2 電磁場分析及損耗計(jì)算

圖3為高溫電磁機(jī)構(gòu)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(qū)域分布不均勻，這是由于在模型求解時(shí)，有限元計(jì)算的是高斯積分點(diǎn)上的損耗，而顯示的則是節(jié)點(diǎn)上的損耗[7]。

2.3 溫度場求解邊界條件

在進(jìn)行溫度場求解時(shí)，將電磁場中求得的線圈損耗作為溫度場求解時(shí)的熱源，此外依據(jù)電磁機(jī)構(gòu)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，考慮裝配間隙和接觸方式，正確添加相應(yīng)的邊界條件，由第2.1節(jié)的相關(guān)理論：散熱方式為熱傳導(dǎo)以及熱對流，設(shè)置不同材料的熱導(dǎo)率以及材料的表面散熱系數(shù)，模型各部件材料的熱傳導(dǎo)率如表2所示。

表2 電磁機(jī)構(gòu)各部件材料的熱傳導(dǎo)率 W/(K·m)

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

2.4 優(yōu)化前的溫度場求解

基于以上分析，對優(yōu)化前的高溫電磁機(jī)構(gòu)溫度分布進(jìn)行研究，結(jié)果如圖4所示(環(huán)境溫度：200 ℃)。

圖4 優(yōu)化前的溫度分布

從圖4可以看出，優(yōu)化前的高溫電磁機(jī)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(dòng)鐵心底部。這是由于線圈為內(nèi)部生熱源，動(dòng)鐵心底部遠(yuǎn)離線圈，溫度相對較低。由于各部件相對緊湊、益于傳熱，整個(gè)機(jī)構(gòu)溫度差小于1 K。結(jié)合表1可知，優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)不能滿足該要求。

3 高溫電磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

由第2節(jié)分析可知，高溫電磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行優(yōu)化，在考慮安裝尺寸限制的情況下，進(jìn)一步提升散熱能力，滿足高溫環(huán)境下的工作要求。本節(jié)分別從線圈的角度和外殼的角度出發(fā)，提出了一種“線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)+外殼散熱板”新型結(jié)構(gòu)。

3.1 線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)”結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 “線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)”結(jié)構(gòu)

原設(shè)計(jì)方案中的線圈設(shè)計(jì)匝數(shù)為1 500匝，總電阻設(shè)計(jì)為R；在所提出的“線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)”結(jié)構(gòu)中，將線圈分為2段式結(jié)構(gòu)，每段匝數(shù)為750匝，分段之間用截面積較大、長度較短的銅導(dǎo)線鏈接，連接點(diǎn)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(gè)分段線圈之間加裝段間導(dǎo)熱環(huán)，導(dǎo)熱環(huán)采用傳導(dǎo)率較高的鋁合金，能更快降低線圈溫升。

3.2 外殼散熱板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

為了進(jìn)一步改進(jìn)散熱結(jié)構(gòu)，在原外殼的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了外殼散熱板結(jié)構(gòu)(圖6)，將以下3個(gè)參數(shù)作為優(yōu)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(gè)數(shù)n。

圖6 “外殼散熱板結(jié)構(gòu)”結(jié)構(gòu)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(jù)產(chǎn)品的實(shí)際尺寸來正確設(shè)計(jì)，此外散熱板的厚度w和個(gè)數(shù)n也會(huì)影響散熱面積，因此需要從正交試驗(yàn)的角度，確定h、w和n最佳組合，最大程度降低溫升。試驗(yàn)因素和水平表如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素和水平

考慮安裝尺寸限制和加工工藝的情況下，設(shè)置了4個(gè)水平，即優(yōu)化任務(wù)包含三因素四水平。采用全因素分析，分析次數(shù)至少為64次，而采用正交試驗(yàn)的方法僅需要16次[9]。

在溫度場中進(jìn)行16組仿真求解溫度分布，對求解出的16組最高溫度進(jìn)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(yōu)參數(shù)組合為n=30，h=3.0 mm，w=1.2 mm。

3.2.2 正交試驗(yàn)方差分析

考慮極差分析存在不足，即不能分析試驗(yàn)的誤差，同時(shí)也不能充分的利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)所提供的信息[10-11]。為了評估正交試驗(yàn)的誤差大小并精確地估計(jì)出各個(gè)因素對試驗(yàn)結(jié)果的重要程度，需開展顯著性檢驗(yàn)，采用方差檢驗(yàn)對結(jié)果驗(yàn)證，結(jié)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(xiàn)為F值。本文完成了α=0.01、α=0.05、α=0.10 3個(gè)不同水平的顯著性檢驗(yàn)。由檢驗(yàn)結(jié)果可知，因素n對試驗(yàn)指標(biāo)存在明顯影響，其次是因素h，最后是因素w，方差檢驗(yàn)與極差法直觀分析所示的結(jié)果相一致。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的高溫閥用電磁機(jī)構(gòu)溫度場分析及對比

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的溫度分析結(jié)果

4.1.1 原外殼+線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)結(jié)構(gòu)

圖8為“線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)”的溫度分布。與優(yōu)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)產(chǎn)品，可以嘗試將線圈分為合適的段數(shù)，增大散熱面積以優(yōu)化溫度分布。

圖8 “線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)”的溫度分布

4.1.2 外殼散熱板+原線圈結(jié)構(gòu)

添加散熱板，散熱板材料為導(dǎo)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(shù)值的設(shè)定同第2.3節(jié)。為了保證求解精度的準(zhǔn)確性，在電磁場和溫度場中均應(yīng)該對模型進(jìn)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(jié)構(gòu)剖分圖

圖10為“外殼散熱板+原線圈”結(jié)構(gòu)的溫度分布，即線圈不分段，但是采用外殼散熱板結(jié)構(gòu)。與優(yōu)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(jié)構(gòu)溫度分布

4.1.3 線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)+外殼散熱板新型結(jié)構(gòu)

圖11為新結(jié)構(gòu)的溫度分布。

圖11 線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)+外殼散熱板結(jié)構(gòu)溫度分布

與優(yōu)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(jié)中的“外殼散熱板+原線圈”結(jié)構(gòu)的溫度分布相差較小，但是整個(gè)機(jī)構(gòu)中低溫區(qū)域明顯增多，且線圈分段結(jié)構(gòu)利于批量化、模塊化生產(chǎn)，在電磁機(jī)構(gòu)線圈出現(xiàn)故障時(shí)，容易分段排查故障并進(jìn)行替換，可以避免浪費(fèi)導(dǎo)線材料。

4.2 優(yōu)化后的溫度結(jié)果對比

圖12為原結(jié)構(gòu)、原外殼+線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)、外殼散熱板+原線圈結(jié)構(gòu)及優(yōu)化后的新結(jié)構(gòu)最高溫度、最低溫度的對比情況。

圖12 優(yōu)化前后的最高、最低溫度結(jié)果對比

可以看出：(1)原結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱環(huán)+外殼散熱板”新型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為基值，溫度下降約13.32%；(2) 在原線圈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加外殼散熱板，散熱能力明顯增強(qiáng)，溫度降低效果顯著；(3) 優(yōu)化后采用“線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)+外殼散熱板”結(jié)構(gòu)，溫度降低最為明顯，雖然與“外殼散熱板+原線圈結(jié)構(gòu)”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(jié)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)安裝及故障檢測時(shí)具有明顯優(yōu)勢。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的電磁機(jī)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出結(jié)構(gòu)的合理性以及上述溫度場分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的電磁驅(qū)動(dòng)進(jìn)行溫升試驗(yàn)。試驗(yàn)中溫升試驗(yàn)箱最高保持溫度為150 ℃，受試驗(yàn)條件限制，選擇2個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)(140 ℃和150 ℃)。試驗(yàn)設(shè)備以及對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的改進(jìn)實(shí)物如圖13所示。

圖13 電磁機(jī)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)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(tài)電阻；R2為熱態(tài)電阻；銅導(dǎo)線時(shí)k的取值為234.5，t1為開始時(shí)的溫度；t2為結(jié)束時(shí)的溫度。

因?yàn)闇厣囼?yàn)箱為恒溫箱，所以在本試驗(yàn)中，t2-t1接近為零，可忽略不計(jì)。

按照試驗(yàn)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(yàn)溫升數(shù)值與溫度場仿真計(jì)算的數(shù)值對比,如表6所示。

由表6數(shù)據(jù)分析對比可知，試驗(yàn)溫升與仿真溫升在數(shù)值上相差較小，在誤差允許范圍內(nèi)。由此，證明了上述分析的合理性以及所提新結(jié)構(gòu)的工程實(shí)用性。

表6 試驗(yàn)溫升與仿真溫升對比

6 結(jié) 語

本文針對高溫閥用電磁機(jī)構(gòu)行業(yè)的工程需求，提出了一種“線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)+外殼散熱板”新型結(jié)構(gòu)，采用電磁場、溫度場分析方法及正交試驗(yàn)優(yōu)化原理，對其溫度場分布進(jìn)行了研究，并與優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比，最后加工樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。主要?jiǎng)?chuàng)新及結(jié)論如下。

(1) 該機(jī)構(gòu)中各部件相對緊湊、導(dǎo)熱良好，因此各部件的穩(wěn)態(tài)溫差相對較小，高溫區(qū)域較多，優(yōu)化前的線圈溫升較高，不能滿足運(yùn)行要求。

(2) 基于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，提出了一種“線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)+外殼散熱板”新型結(jié)構(gòu)，采用正交試驗(yàn)原理得到的參數(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在考慮安裝尺寸的情況下最大程度發(fā)揮了機(jī)構(gòu)的散熱能力，以原結(jié)構(gòu)中溫度為基值，溫度下降了約13.32%。

(3) 分別研究了原結(jié)構(gòu)、原結(jié)構(gòu)+散熱板、原外殼+線圈分段、線圈分段+段間導(dǎo)熱環(huán)+外溫度分布?xì)ど岚?，其中“線圈分段”結(jié)構(gòu)便于線圈的模塊化繞制，工程應(yīng)用中可以以有限個(gè)最小線圈單元進(jìn)行級(jí)連，發(fā)生故障時(shí)易排查替換故障單元；“段間導(dǎo)熱環(huán)”利于線圈單元的熱量向外殼散熱；“外殼散熱板”進(jìn)一步增強(qiáng)了機(jī)構(gòu)的散熱能力，降低機(jī)構(gòu)溫升，實(shí)現(xiàn)了可靠運(yùn)行，工程中可根據(jù)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(jié)構(gòu)，以滿足實(shí)際應(yīng)用。

綜合以上結(jié)論，本文中所涉及的分析及優(yōu)化思路、新型散熱結(jié)構(gòu)對于研究高溫閥用電磁機(jī)構(gòu)的溫度場分布、熱性能評價(jià)具有重要參考，為其他電磁線圈的工程應(yīng)用領(lǐng)域提供了有價(jià)值的參考。