基于Ansoft Maxwell 的電磁閥響應(yīng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

龐末紅,馮相霖

（北京航天動(dòng)力研究所，北京，100076）

0 引 言

空間飛行器上的姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)，在工作過程中需要多次開機(jī)、關(guān)機(jī)及連續(xù)脈沖工作，因此電磁閥作為開關(guān)執(zhí)行元件被廣泛應(yīng)用于其流體控制系統(tǒng)中[1]，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖工作，電磁閥的開關(guān)響應(yīng)時(shí)間必須小于發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖工作時(shí)間[2]。

目前，利用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算電磁閥的打開響應(yīng)時(shí)間計(jì)算較為精確，對(duì)電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間計(jì)算不夠準(zhǔn)確，經(jīng)過對(duì)相同結(jié)構(gòu)電磁閥響應(yīng)時(shí)間的試驗(yàn)驗(yàn)證，Ansoft Maxwell 軟件對(duì)于電磁閥的開關(guān)響應(yīng)時(shí)間計(jì)算均較為精確。因此在某型號(hào)動(dòng)力系統(tǒng)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥設(shè)計(jì)之初，利用Ansoft Maxwell 軟件對(duì)電磁閥的開關(guān)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行仿真計(jì)算，通過改變電磁閥的結(jié)構(gòu)尺寸和電磁參數(shù)進(jìn)行變參數(shù)化設(shè)計(jì)，得到電磁閥的開關(guān)響應(yīng)時(shí)間，使其滿足動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作。利用Ansoft Maxwell 軟件的變參數(shù)化設(shè)計(jì)，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(chǔ)，采用有限元離散方法，把電磁場(chǎng)的計(jì)算轉(zhuǎn)化成龐大的矩陣來求解，計(jì)算得到銜鐵動(dòng)作時(shí)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(chǎng)強(qiáng)度、標(biāo)量電位、磁通密度、磁力線和能量等物理量的分布結(jié)果。

1 電磁閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

利用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法得到的電磁閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，主要包括線圈組件、銜鐵、閥座和彈簧，電磁鐵的結(jié)構(gòu)形式為螺線管式，利用載流鐵芯線圈產(chǎn)生的電磁吸力來控制機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。電磁閥的工作原理為：電磁閥未通電時(shí)，在介質(zhì)液壓力和彈簧力的共同作用下，銜鐵密封在閥座上，介質(zhì)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(zhì)從入口經(jīng)過銜鐵進(jìn)入閥座流向出口。

圖1 電磁閥結(jié)構(gòu)示意Fig.1 The Schematic of the Solenoid Valve

2 電磁閥響應(yīng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 電流曲線理論依據(jù)

電磁閥的勵(lì)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(shù)規(guī)律上升，產(chǎn)生的電磁吸力也相應(yīng)上升，當(dāng)銜鐵所受到的電磁吸力足以克服受到的負(fù)載力時(shí)，銜鐵開始運(yùn)動(dòng)，銜鐵運(yùn)動(dòng)過程中切割磁力線會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)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(shù)規(guī)律又開始上升直至穩(wěn)態(tài)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(shù)值仿真計(jì)算

a）建立模型。

電磁閥的開關(guān)響應(yīng)時(shí)間需通過瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真計(jì)算得到線圈電流曲線，從而得到電磁閥的打開與關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間，由于該電磁閥為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此模型分析類型為二維瞬態(tài)仿真計(jì)算[5]。電磁閥的二維瞬態(tài)仿真模型如圖3 所示，在模型中創(chuàng)建了一個(gè)“帶（Band）”包裹住運(yùn)動(dòng)體銜鐵，“帶”不能與線圈骨架相交。

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

b）運(yùn)動(dòng)屬性設(shè)置。

模型的運(yùn)動(dòng)設(shè)置[6]包括運(yùn)動(dòng)類型、數(shù)據(jù)信息及機(jī)械信息的設(shè)置。設(shè)定運(yùn)動(dòng)類型為直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)圍繞坐標(biāo)系為整體坐標(biāo)系，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閆軸正方向，銜鐵運(yùn)動(dòng)的初始位置為0 mm，銜鐵運(yùn)動(dòng)行程為Z軸正方向0.985 mm，銜鐵的質(zhì)量為1 kg，阻尼為0.1 (N· s)/m，負(fù)載設(shè)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(shè)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(huán)材料為不銹鋼，線圈材料為銅，其他材料均設(shè)置為真空。

d）定義激勵(lì)源。

電磁閥的激勵(lì)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(gòu)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(shù)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(shè)置。

網(wǎng)格劃分采用自適應(yīng)劃分的網(wǎng)格模型，求解的邊界條件采用氣球邊界條件。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

采用Ansoft Maxwell 軟件的后處理報(bào)告功能，得到線圈電流曲線如圖6 所示，電磁閥的打開時(shí)間為43 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為128 ms，在該設(shè)計(jì)狀態(tài)下，電磁閥的打開響應(yīng)時(shí)間能夠滿足動(dòng)力系統(tǒng)的工作要求，電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖工作時(shí)間，無法實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)60 ms 的輸出。

圖6 原設(shè)計(jì)狀態(tài)下線圈電流曲線Fig.6 The Coil’s Current Curve of the Original State

2.4 變參數(shù)化設(shè)計(jì)的響應(yīng)性能對(duì)比

為加快電磁閥關(guān)閉響應(yīng)，可通過改變彈簧力和設(shè)置非工作氣隙的方法來實(shí)現(xiàn)[8]。由于電磁閥關(guān)閉過程中，線圈斷電，電磁吸力逐漸下降為零，驅(qū)動(dòng)電磁閥關(guān)閉的唯一作用力是彈簧力，彈簧力越小，驅(qū)動(dòng)電磁閥關(guān)閉的作用力越小，電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，因此可以通過適當(dāng)加大彈簧初始安裝力和增大彈簧剛度來加快電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)。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(guān)閉響應(yīng)。

因此下文利用Ansoft Maxwell 軟件的參數(shù)化計(jì)算功能，兼顧電磁閥的打開響應(yīng)時(shí)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(duì)電磁閥響應(yīng)時(shí)間的影響趨勢(shì)，并選取合適的參數(shù)以滿足電磁閥的響應(yīng)性能要求[9]。

a）改變彈簧的初始安裝力。

由于原設(shè)計(jì)狀態(tài)下的電磁閥打開響應(yīng)時(shí)間為43 ms，設(shè)計(jì)指標(biāo)要求電磁閥的打開時(shí)間不能大于60 ms，因此可以適當(dāng)加大彈簧的初始安裝力來加快電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)。設(shè)置彈簧的初始安裝力分別為12 N、18 N 和24 N，對(duì)電磁鐵模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到不同彈簧安裝力狀態(tài)下的線圈電流曲線如圖7 所示，通過電流曲線得到響應(yīng)時(shí)間結(jié)果對(duì)比見表1，從表1 中可看出電磁閥的打開響應(yīng)隨著彈簧初始安裝力的增加而變慢，而電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)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(duì)電磁閥的打開響應(yīng)影響較小，對(duì)電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)影響較大，當(dāng)彈簧的初始安裝力為24 N 時(shí)，電磁閥的打開響應(yīng)時(shí)間為46 ms，滿足動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為94 ms，比原設(shè)計(jì)狀態(tài)加快了34 ms，因此可將彈簧的初始安裝力設(shè)置為24 N。

圖7 不同彈簧安裝力狀態(tài)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(yīng)時(shí)間對(duì)比結(jié)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(guān)閉響應(yīng)，增大彈簧剛度，加大銜鐵關(guān)閉時(shí)的反作用力。設(shè)置彈簧剛度分別為3.5 N/mm、12.7 N/mm 和21.9 N/mm，仿真計(jì)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(tài)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(yīng)時(shí)間結(jié)果對(duì)比見表2。

表2 不同彈簧剛度下電磁閥響應(yīng)時(shí)間對(duì)比結(jié)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(duì)電磁閥的打開響應(yīng)無影響，對(duì)電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)影響較大，彈簧剛度越大，電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)越快，彈簧剛度增大到21.9 N/mm 時(shí)，電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)比原設(shè)計(jì)狀態(tài)下關(guān)閉響應(yīng)加快了46 ms，且打開響應(yīng)滿足動(dòng)力系統(tǒng)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(dòng)作響應(yīng)速度，可在銜鐵與擋鐵之間增加不銹鋼無磁墊片來設(shè)置非工作氣隙[10]，但是非工作氣隙應(yīng)盡量小，且應(yīng)保證增加無磁墊片后電磁閥的流阻能夠滿足要求。設(shè)置無磁墊片的厚度分別為無墊片狀態(tài)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(yīng)時(shí)間結(jié)果對(duì)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(duì)電磁閥的打開響應(yīng)基本無影響，對(duì)電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)影響較大，墊片厚度越大，電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)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(dāng)無磁墊片的厚度為0.2 mm 時(shí)，流阻能夠滿足要求，因此設(shè)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(tài)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(yīng)時(shí)間對(duì)比結(jié)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(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了使電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)進(jìn)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(shè)置為24 N，彈簧剛度設(shè)置為21.9 N/mm，并在銜鐵和線圈骨架之間增加一個(gè)0.2 mm 厚度的不銹鋼無磁墊片，對(duì)新設(shè)計(jì)狀態(tài)下的電磁閥模型進(jìn)行仿真計(jì)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(yīng)時(shí)間為46 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為45 ms。

圖10 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電磁閥線圈電流曲線Fig.10 The Current Curve of the Coil after Optimizing the Design

對(duì)電磁閥進(jìn)行投產(chǎn)裝配試驗(yàn)，得到電磁閥的響應(yīng)性能數(shù)據(jù)如表4 所示，電磁閥的打開響應(yīng)時(shí)間為50～53.5 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為42～57 ms，滿足打開時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間均不大于60 ms 的要求，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)60 ms 的輸出。由于仿真計(jì)算中未考慮銜鐵運(yùn)動(dòng)的摩擦力，電磁閥響應(yīng)的仿真計(jì)算結(jié)果比實(shí)際測(cè)試結(jié)果稍快。

表4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電磁閥響應(yīng)性能表Tab.4 The Response of the Solenoid Valve after Optimizing the Design

4 結(jié) 論

本文利用電磁仿真軟件Ansoft Maxwell 對(duì)電磁閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(guān)閉響應(yīng)大幅加快，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)要求。另一方面，也說明Ansoft Maxwell 仿真軟件能夠在實(shí)際工程應(yīng)用中快速指導(dǎo)設(shè)計(jì)。