一種高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)仿真分析研究

任小勇 甄亮

摘? 要：根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)及場(chǎng)景應(yīng)用需求開發(fā)出了一套性能穩(wěn)定、操作便捷的高速開關(guān)閥，并通過計(jì)算與分析確定出了CMM棒長(zhǎng)度，根據(jù)開關(guān)閥運(yùn)行要求計(jì)算出了最佳線圈量。為全面了解、準(zhǔn)確掌握GMA磁場(chǎng)分布情況，選用仿真軟件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過結(jié)果分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，只有合理控制磁導(dǎo)率，才能確保磁場(chǎng)科學(xué)分布，而且當(dāng)磁導(dǎo)率差值達(dá)到最小時(shí)可保證磁場(chǎng)效用得以全面發(fā)揮。氣隙寬度也會(huì)影響磁場(chǎng)分布，現(xiàn)有研究明確證實(shí)，磁場(chǎng)會(huì)在寬度為0.4mm時(shí)達(dá)到最理想分布狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：高速開關(guān)閥;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);磁場(chǎng)仿真;分析研究

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引言

磁致伸縮材料作為幾種重要的功能材料之一，因其獨(dú)特的性能而越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。鐵磁材料在磁場(chǎng)作用下的小變形現(xiàn)象稱為磁致伸縮，所以業(yè)界人士將這類材料統(tǒng)一定義為磁致伸縮材料。出于特性方面的考慮，將采用這種材料來研發(fā)高速開關(guān)閥，并通過磁場(chǎng)調(diào)整獲得相應(yīng)的收縮量（一般會(huì)達(dá)到幾十微米），從而控制出口機(jī)構(gòu)的力和位移。為了增加（超磁致伸縮執(zhí)行器）的輸出位移，設(shè)計(jì)相應(yīng)的微位移放大器裝置，由于獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，的各方面表現(xiàn)都明顯優(yōu)于一般轉(zhuǎn)換器。.

1.高速開關(guān)閥的整體結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，人們習(xí)慣采用微位移放大機(jī)構(gòu)來增加棒的輸出位移，但卻忽略了它的弊端與不足，因?yàn)?img alt="" height="17" src="file：///C：/Users/ADMINI～1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.gif" width="29"/>棒的輸出同時(shí)受多方面因素干擾與影響，使用微位移放大機(jī)構(gòu)會(huì)使棒的輸出產(chǎn)生明顯誤差，也就很難獲得高可靠、高精準(zhǔn)的輸出值。對(duì)此，經(jīng)多方面考慮與分析后，決定在本設(shè)計(jì)中采用一種新型的多通流面閥芯結(jié)構(gòu)來補(bǔ)償棒出口位移不足的問題。

2.高速開關(guān)閥用GMA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過上圖分析進(jìn)一步了解到，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，主要由導(dǎo)磁塊、線圈、桿等相關(guān)構(gòu)件組成。通過運(yùn)行原理研究發(fā)現(xiàn)：在開關(guān)閥正常運(yùn)行的情況下，利用線圈生成磁場(chǎng)可使棒長(zhǎng)度增加，而閥芯則在預(yù)壓縮桿作用發(fā)生移位，在此情況下，只需根據(jù)要求對(duì)預(yù)壓力做出相應(yīng)調(diào)整，就能獲得超預(yù)期的磁致伸縮率。冷卻腔里放水來控制GMM棒的溫度。

2.1GMM棒設(shè)計(jì)

棒設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是根據(jù)場(chǎng)景要求確定出科學(xué)且合理的運(yùn)行參數(shù)，也就是直徑和長(zhǎng)度這兩項(xiàng)基本參數(shù)。其中，直徑選取主要以輸出力為依據(jù)，而長(zhǎng)度則取決于工作位移。另外，在本研究中，選用材料來制備GMM棒。圖3為當(dāng)預(yù)壓力為10MPa時(shí)GMM桿的λ-H曲線。

從圖3可以看出，磁致伸縮率隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而非線性地變化。從點(diǎn)A開始曲線后，磁致伸縮隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而變化很小，如果繼續(xù)得到更高磁致伸縮率，就需要更大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，又因?yàn)榇艌?chǎng)強(qiáng)度的與勵(lì)磁電流的大小成正比，過大電流將導(dǎo)致GMM棒的溫度升高過高，這很難控制。因此，本文中工作磁場(chǎng)的最

大強(qiáng)度選擇為40KA/m。盡管此時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度在合理范圍之內(nèi)，但磁致伸縮率卻比較大，達(dá)到了。

可以看出，從0到A點(diǎn)的λ-H曲線不是完全線性的，但是由于高速開關(guān)閥大部分時(shí)間都在開關(guān)狀態(tài)下工作，因此λ-H曲線的非線性對(duì)閥的影響很小，并且可以通過控制器設(shè)計(jì)來補(bǔ)償λ-H曲線的非線性。由于在本研究中采用的閥芯行程，因此將此參數(shù)套入下式便可完成磁致伸縮率計(jì)算，即：

則GMM棒的長(zhǎng)度：

上式參數(shù)詳解：—，—，—，—，—，經(jīng)多方面考慮與分析后決定在本研究中取值。

由于在拉伸過程中其自身材料的彈性回復(fù)力，GMM棒的出口力逐漸減小。

并在零點(diǎn)位置達(dá)到了最大值，但由于磁致伸縮的原因，輸出力會(huì)快速降為零，具體如下：

（3）

在的條件下，利用下式可直接確定出輸出力，即：

（5）

上式參數(shù)詳解：—，—，—，—，—，—，—。

當(dāng)GMA工作時(shí)，GMM棒的輸出力必須克服三種李，分別是閥芯與閥套之

間的摩擦力，預(yù)壓彈簧的力以及復(fù)位彈簧的力。

因此GMM最小輸出力符合以下公式：

（6）

上式參數(shù)詳解：—，—，—，

出于設(shè)計(jì)要求方面的考慮，在行程下，閥芯響應(yīng)時(shí)間需控制在以內(nèi)，則由式

還需滿足：

上式參數(shù)詳解：—，—，—，

由式3、5、6可得：

所以，棒的最小輸出力和橫截面積達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在前面已明確提到，只有將閥芯響應(yīng)時(shí)間控制在以內(nèi)，才能滿足設(shè)計(jì)要求。需要復(fù)位彈簧的力

滿足下式要求：

（10）

帶入（），適當(dāng)擴(kuò)大值以忽略影響，值為25N。從以上所述，選用的棒，在輸出力降到最低且閥芯行程為的工況下，將獲得的參數(shù)套入公式中進(jìn)行求解，由于預(yù)壓為，輸出力為，預(yù)壓縮為，因此通過計(jì)算得到預(yù)壓彈簧的剛度為20N/mm。

2.2線圈設(shè)計(jì)

線圈設(shè)計(jì)是不容忽視的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，原因在于它不僅會(huì)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生直接影響，還關(guān)系到自身的功率損耗，而且功率損耗與熱量存在明顯的線性關(guān)聯(lián)。一般情況下，只要熱量升高，棒的溫度也會(huì)相應(yīng)走高，所以要科學(xué)、合理選擇線圈尺寸，以降低損耗、增大強(qiáng)度。在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下，要想桿磁場(chǎng)保持理想分布，就要確保線圈的長(zhǎng)度應(yīng)略長(zhǎng)于GMM棒的長(zhǎng)度，但這樣一來就容易使整體尺寸變大。圖4示出了線圈繞組的示意圖。其中，線圈長(zhǎng)度設(shè)置為，明顯比GMM棒尺寸大。

多層線圈在中心軸方向上任意點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和功率損耗的公式為：

其中：—，—，—，—，—，—，—，—，—，—，—（圓形取，方形取1），，

從等式11可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度越低，磁場(chǎng)強(qiáng)度就越高，但是由于此項(xiàng)在GMM棒附近具有冷卻腔以控制棒的溫度上升GMM以及GMA的總體規(guī)模有限。本文中取20mm。根據(jù)功率損耗公式12和13，線圈的外徑具有最佳值，但是考慮到線圈的電阻和電感對(duì)高壓開關(guān)閥的響應(yīng)速度具有非常重要的影響。設(shè)計(jì)過程中考慮閥門的響應(yīng)速度，值取為32毫米。由式11和式，得到中軸線中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度獲得中心軸中心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度

在上面已明確提到，本設(shè)計(jì)的棒磁場(chǎng)強(qiáng)度為，因此套入公式經(jīng)計(jì)算得知：。在線圈匝數(shù)為且勵(lì)磁電流為的工況下，線圈J中的電流密度最高達(dá)到了。值得一提是，利用水冷卻裝置還能使電流密度有所提高。在本文檔中，已明確要求電流密度為。所以只需將此參數(shù)套入下式便可確定出線圈直徑，即：

（15）

式中：—纏繞系數(shù)取1.1，—線圈匝數(shù)

結(jié)果顯示直徑為毫米。因此在本設(shè)計(jì)中選用此規(guī)格的線圈。其中裸線直徑為0.71mm。而且線圈直徑必須滿足以下

公式，參數(shù)必須符合要求。

（16）

利用下式分別求出電阻和電感，即：

（17）

（18）

其中：—，—，—，—，—;經(jīng)計(jì)算得知，這兩項(xiàng)參數(shù)的值分別為和。

3 高速開關(guān)閥用GMA磁場(chǎng)仿真分析

電磁場(chǎng)數(shù)值分析的基礎(chǔ)是麥克斯韋方程，該方程描述了所有宏觀電磁現(xiàn)象。在本設(shè)計(jì)中，選用先進(jìn)、成熟的軟件進(jìn)行磁場(chǎng)仿真，由于勵(lì)磁電流是典型的直流模式，而且為軸對(duì)稱并受信號(hào)控制。所以，經(jīng)多方面考慮與分析后決定采用二維靜磁場(chǎng)軸對(duì)稱求解器，并基于“氣球”邊界下構(gòu)建模型。具體可詳見下述圖表：

3.1磁塊的相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)GMM棒的磁場(chǎng)分布的影響

通過下圖曲線變化分析進(jìn)一步了解到，棒中的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布嚴(yán)重不合理，最高部分達(dá)到了，而最小部分僅為46.44272KA/m，相差23.29536。由于GMM棒的磁導(dǎo)率較低且較差，因此磁場(chǎng)強(qiáng)度顯示出兩端較大而中間較小的現(xiàn)象。從GMM棒的λ-H曲線看出，磁場(chǎng)強(qiáng)度直接影響GMM棒的伸縮率。 GMM棒中磁場(chǎng)的不均勻分布影響GMA的輸出精度降低，

因此必須采取相應(yīng)措施使GMM棒的磁場(chǎng)均勻。

經(jīng)過分析和比較，認(rèn)為使用低磁導(dǎo)率磁體來改善磁場(chǎng)的不均勻性是最可行的解決方案，并且導(dǎo)磁塊的相對(duì)磁導(dǎo)率與GMM棒相對(duì)磁導(dǎo)率相同時(shí)，改善效果最佳。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，棒的相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)置為。通過上圖7曲線變化分析可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，基于磁導(dǎo)率為的工況下，軸向磁場(chǎng)分布相對(duì)比較合理，而且強(qiáng)度之差僅為1.57?？梢钥闯?，差異已經(jīng)大大減小，并且GMM棒的軸向磁場(chǎng)不均勻分布范圍也在相應(yīng)減小。但是隨著磁導(dǎo)率的不斷增大，軸向磁場(chǎng)的不均勻分布現(xiàn)象也愈發(fā)嚴(yán)重，盡管降低磁導(dǎo)率會(huì)弱化磁場(chǎng)強(qiáng)度，但是減小幅度很小。一般會(huì)控制在3KA/m以內(nèi)。

從圖8可以看出，棒的徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度分布不理想，由于棒沿軸向移動(dòng)，因此徑向磁場(chǎng)的不規(guī)則性的影響很小。在軸向運(yùn)行中，它主要影響的是體

積變形。與GMM棒的軸向范圍相比，徑向體積變化現(xiàn)象非常小，因此徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小和不規(guī)則性可以忽略對(duì)GMM棒的軸向影響。

通過上圖9 曲線變化分析進(jìn)一步了解到，如果導(dǎo)磁塊具有很大的磁導(dǎo)率，并且棒的磁導(dǎo)率相對(duì)較低，那么就會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度小于中間部分的現(xiàn)象，反之亦然。通過下表2數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)，基于這一工況下，桿的磁場(chǎng)分布不均勻達(dá)到了最小，隨著差值的不斷增大，棒的磁場(chǎng)分布不合理現(xiàn)象可得到顯著改善。

導(dǎo)磁塊與GMM磁棒的相對(duì)磁導(dǎo)率時(shí)相等時(shí)，磁棒的磁場(chǎng)分布達(dá)到了最理想狀態(tài)。究其根源在于：它們擁有一致的相對(duì)磁導(dǎo)率，而且相連能增加棒長(zhǎng)度，但要注意一點(diǎn)導(dǎo)磁塊兩端不存在磁致伸縮，通過曲線變化分析也能直接發(fā)現(xiàn)，棒中的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布一直處于理想狀態(tài)，原因是導(dǎo)磁塊對(duì)不規(guī)則部分起到了補(bǔ)充作用，但不支持磁致伸縮。這樣就改善了GMM棒的磁場(chǎng)的不均勻性。

3.2氣隙寬度對(duì)GMM棒磁場(chǎng)分布的影響

通過圖10曲線變化分析可以看出，棒上的磁場(chǎng)強(qiáng)度與氣隙寬度存在明顯的線性關(guān)聯(lián)，只要?dú)庀秾挾劝l(fā)生改變，磁場(chǎng)強(qiáng)度必然也會(huì)隨之發(fā)生改變，不過變化幅度相對(duì)比較小。不僅如此，通過深入分析還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，棒的軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度與氣隙寬度也存在明顯的線性關(guān)聯(lián)。結(jié)合上表數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，，磁場(chǎng)會(huì)在寬度為時(shí)達(dá)到最理想分布狀態(tài)，即強(qiáng)度差值會(huì)減到最小。另外，基于這一工況下，棒的磁場(chǎng)強(qiáng)度差值降到了，而氣隙寬度則達(dá)到了。由此可以判定，可通過調(diào)整氣隙寬度的方式來改善軸向磁場(chǎng)分布。

通過上圖11～12曲線變化分析可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在氣隙寬度不斷增大的情況下，棒端部和中部的徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)增大，而且只要寬度控制在以內(nèi)，棒中部徑向磁場(chǎng)分布就會(huì)一直處于最佳狀態(tài)。因此，經(jīng)多方面考慮與分析后，筆者決定采用的氣隙寬度。

3.3殼體的相對(duì)磁導(dǎo)率變化對(duì)GMM棒磁場(chǎng)分布的影響

通過上圖分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在達(dá)到一定水平后，相對(duì)磁導(dǎo)率的增加對(duì)GMM棒的軸向磁場(chǎng)分布影響很小;但相對(duì)磁導(dǎo)率高出1后，就會(huì)對(duì)磁場(chǎng)分布變化產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。

通過下圖曲線變化分析進(jìn)一步了解到，在殼體相對(duì)磁導(dǎo)率為1的工況下，磁場(chǎng)分布嚴(yán)重不合理，而且棒上磁場(chǎng)強(qiáng)度也降到了最低，也就說明此時(shí)的殼體與空氣無任何差別，不僅不能形成有效回路，反而生成了磁場(chǎng)回路。另外，在殼體相對(duì)磁導(dǎo)不斷增大的情況下，棒中的磁場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)顯著增大。究其原因在于相對(duì)磁導(dǎo)率越高，漏磁就越小，進(jìn)而能達(dá)到改善磁場(chǎng)強(qiáng)度的效果。

不僅如此，通過下圖曲線變化分析還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，盡管相對(duì)磁導(dǎo)率不斷增大，但磁場(chǎng)強(qiáng)度變化卻不是很明顯。結(jié)合上圖分析可知，只要相對(duì)不低于，磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化影響就越小，甚至不會(huì)產(chǎn)生任何影響，因此在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中會(huì)直接選擇忽略不計(jì)。

3.4外部磁爐的磁導(dǎo)率變化對(duì)GMM棒的磁場(chǎng)分布的影響分析圖

對(duì)外部磁路的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究后發(fā)現(xiàn)，它主要由殼體、微調(diào)螺塞等相關(guān)構(gòu)件組成，基于棒和導(dǎo)磁塊連接生成閉合磁路。通過上圖曲線變化及下表數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步了解到，相對(duì)磁導(dǎo)率增加會(huì)對(duì)棒中磁場(chǎng)強(qiáng)度變化產(chǎn)生直接影響，究其原因在于磁導(dǎo)率越高，漏磁就越小。另外，當(dāng)磁導(dǎo)率分別為和時(shí)，對(duì)生成的磁場(chǎng)強(qiáng)度值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們之間的差異很小，不過磁場(chǎng)的不均勻性進(jìn)一步升級(jí)。所以，對(duì)于棒來說，并非越高的相對(duì)磁導(dǎo)率達(dá)到的效果就越理想。筆者通過表4數(shù)據(jù)全面分析得出以下結(jié)論：外部磁路的相對(duì)磁導(dǎo)率與棒軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度存在顯著的線性關(guān)聯(lián)，只要前者增大，后者必然也會(huì)相應(yīng)增大，但磁場(chǎng)均勻度具有先小后大的特點(diǎn)，而且在時(shí)，它們的差值會(huì)降到最小。通過下圖16曲線變化分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，只要相對(duì)磁導(dǎo)率增大，磁場(chǎng)強(qiáng)度值必然也會(huì)相應(yīng)增大。

3.5冷卻套筒和線圈骨架的磁導(dǎo)率變化對(duì)GMM棒磁場(chǎng)分布影響的分析圖

通過上圖曲線變化分析可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在磁導(dǎo)率不斷增大的情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)減弱，但磁場(chǎng)不均勻度的差值則會(huì)進(jìn)一步提高。究其原因在于持續(xù)增大的磁導(dǎo)率會(huì)使磁力線方向發(fā)生改變，關(guān)鍵是磁力線會(huì)提前通過高磁導(dǎo)率部分，也就出現(xiàn)了磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。而在磁導(dǎo)率達(dá)到一定值時(shí)，通過的磁力線只是漏磁部分。另外，在這一工況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度則降到了最低。因此，取冷卻套和線圈骨架的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，優(yōu)先讓磁力線通過棒，再連接成為閉合磁路，以達(dá)到顯著改善磁場(chǎng)強(qiáng)度的目的。

4.結(jié)論

在本研究中，基于結(jié)構(gòu)開發(fā)了一套性能穩(wěn)定且操作便捷的高速開關(guān)，通過一系列計(jì)算與分析確定出了棒長(zhǎng)度，并根據(jù)開關(guān)閥運(yùn)行要求計(jì)算出了最佳線圈量。為全面了解、準(zhǔn)確掌握各參數(shù)對(duì)棒軸向磁場(chǎng)分布影響，選用當(dāng)前備受業(yè)界人士推崇與青睞的軟件進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示，導(dǎo)磁塊的值越低，磁場(chǎng)分布就越理想;將氣隙寬度控制在左右，才能實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)均勻分布，而對(duì)于外部磁路來說，只有在這一工況下，才能取得較為理想的分布效果。

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作者簡(jiǎn)介：

任小勇，男，副教授，甘肅張掖人，現(xiàn)任職于酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院本科教學(xué)部，蘭州理工大學(xué)新能源學(xué)院，甘肅省青年教師成才獎(jiǎng)獲得者，國(guó)家級(jí)教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)風(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)專業(yè)成員之一。

主要研究方向：機(jī)械工程，液壓控制，風(fēng)力發(fā)現(xiàn)機(jī)組變槳距控制