新型閥用電機械轉(zhuǎn)換器優(yōu)化設(shè)計與分析

郗軍紅 馬先潤 姜曉涵

摘要：為滿足電磁閥驅(qū)動裝置電機械轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動性能，提升電機械轉(zhuǎn)化器的響應(yīng)速度與控制精度，本文提出了一種永磁體勵磁的動圈式電機械轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。建立了電機械轉(zhuǎn)換器有限元分析模型，以輸出電磁力的最大值與低波動為目標(biāo)，對其各個部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對其線圈骨架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化。本文對提升電磁閥性能提供了一定的思路。

Abstract： In order to meet the driving performance of the electromechanical converter of the solenoid valve drive device and improve the response speed and control accuracy of the electromechanical converter， this paper proposes a permanent magnet-excited moving coil electromechanical converter structure design. The finite element analysis model of the electromechanical converter is established， and the maximum value and low fluctuation of the output electromagnetic force are set as the goal. The various components are optimized and the structure of the coil skeleton is optimized. This article provides some ideas for improving the performance of solenoid valves.

關(guān)鍵詞：電機械轉(zhuǎn)換器;動圈式;永磁體勵磁;永磁體陣列

Key words： electromechanical converter;moving coil;permanent magnet excitation;permanent magnet array

中圖分類號：TM301.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0025-02

0? 引言

電機械轉(zhuǎn)化器作為電磁閥的驅(qū)動部件，其響應(yīng)速度與輸出力精度直接決定電磁閥的響應(yīng)速度與控制精度。譚草提出了一種高功率密度的動圈式電磁直線執(zhí)行器[1-3]，此執(zhí)行器可在短時間內(nèi)供大電流以得到較大的輸出力，為提升閥用電機械轉(zhuǎn)換器的輸出力特性提供思路。李波等提出了電磁直驅(qū)變速系統(tǒng)，并對電磁直驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行了深入優(yōu)化研究，為直線電機優(yōu)化提供一定思路。劉梁等對應(yīng)用于氣體燃料發(fā)動機的配氣機構(gòu)執(zhí)行器進(jìn)行了深入研究，通過優(yōu)化執(zhí)行器的性能從而提升氣體燃料發(fā)動機的性能，為解決電磁閥電機械轉(zhuǎn)換器優(yōu)化提供一定思路。于振燕等從材料和磁化技術(shù)兩方面對電機進(jìn)行分析設(shè)計，有效縮小了永磁體體積和提升了電機的輸出力，使得電磁閥的頻響特性得到提升，為提高電機械轉(zhuǎn)化器永磁體類型提供了思路。許珍等通過有限元分析的方法對電磁閥的結(jié)構(gòu)部件及材料進(jìn)行了分析，提供了一種通過仿真計算的方法解決電機械轉(zhuǎn)換器的分析方法。楊昆等通過遺傳算法對電磁閥進(jìn)行優(yōu)化，提供一種通過算法解決電磁閥優(yōu)化的思路。

上述文獻(xiàn)對閥用電機械轉(zhuǎn)換器從結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇及計算理論方面取得了進(jìn)步，但在閥用電機械轉(zhuǎn)化器在驅(qū)動力密度，工作行程內(nèi)驅(qū)動力波動量方面研究較少，限制了電磁閥的控制精度，且工作行程相對偏小，價格過高，難以在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1? 結(jié)構(gòu)與工作原理

本文中電機械轉(zhuǎn)換器采用永磁體勵磁，固定在外磁軛內(nèi)側(cè)上的永磁體與內(nèi)外磁軛共同形成磁場回路，通電線圈位于永磁體和內(nèi)磁軛之間的氣隙磁場中。其工作原理為通電線圈在永磁體產(chǎn)生的磁場中受到力的作用，產(chǎn)生的電磁力經(jīng)過線圈骨架、直線軸承傳遞出去，為電磁閥閥芯運動提供動力，實現(xiàn)對電磁閥閥芯的驅(qū)動。電機械轉(zhuǎn)換器的輸出力特性與工作氣隙磁場磁感應(yīng)強度以及線圈輸入電流大小相關(guān)，可通過改變輸入電流大小得到不同的電磁力輸出，從而實現(xiàn)對電磁閥的控制，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

為提升電機械轉(zhuǎn)換器的性能，本文中電機械轉(zhuǎn)換器永磁體采用Halbach陣列五環(huán)布置在外磁軛上，通過仿真計算可得此種方式排列的永磁體可以提升氣隙磁感應(yīng)強度，永磁體的排列方式示意圖如圖2所示。由于聚四氟乙烯材料在強度和質(zhì)量方面的優(yōu)異特性，本文中選其作為線圈骨架材料，在保證強度的同時還可降低電機械轉(zhuǎn)換器動子質(zhì)量，進(jìn)而可提升電機械轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度。線圈輸入電流密度分別為1-10A/mm2。為降低電機械轉(zhuǎn)換器的渦流損耗與磁滯損耗，提高其能量利用率，其內(nèi)外磁軛及端蓋材料選用磁導(dǎo)率高且不易生銹的發(fā)黑處理過的8號鋼材料，可提升電機械轉(zhuǎn)換器的工作效率且能放寬電機械轉(zhuǎn)換器的使用條件。

2? 仿真模型

本文中電機械轉(zhuǎn)換器采用有限元建模分析方法，通過有限元軟件建立電機械轉(zhuǎn)換器的三維有限元分析模型。模型中主要包含電機械轉(zhuǎn)換器內(nèi)外磁軛材料及尺寸參數(shù)、永磁體材料及尺寸參數(shù)和線圈的電流及尺寸參數(shù)，在模型建立中考慮了電磁線圈通電時的電感。為保證電磁線圈產(chǎn)生的電磁力能夠精確的傳遞到閥芯上，對電機械轉(zhuǎn)換器的三種線圈骨架形式進(jìn)行有限元分析，確定形變量最小的線圈骨架結(jié)構(gòu)形式作為最終方案。

3? 電機械轉(zhuǎn)換器設(shè)計與分析優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)電機械轉(zhuǎn)換器的設(shè)計經(jīng)驗大致確定其各部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在電機械轉(zhuǎn)化器外圍尺寸確定后，內(nèi)部永磁體軸向尺寸和排列方式、線圈骨架工作氣隙及磁軛徑向尺寸對輸出力的峰值量及波動量有顯著影響。本文中電機械轉(zhuǎn)換器的Halbach陣列五環(huán)布置在外磁軛上與普通陣列布置的永磁體磁場強度對比，可大大提升工作氣隙的磁感應(yīng)強度。在電機械轉(zhuǎn)換器外圍尺寸確定和內(nèi)外磁軛尚不飽和的前提下，永磁體的徑向尺寸和線圈的電流密度形成相對矛盾關(guān)系。電機械轉(zhuǎn)換器的輸出力和其工作行程內(nèi)的驅(qū)動力波動量存在不同一化的趨勢，需要根據(jù)電磁閥的驅(qū)動要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

常規(guī)閥用電機械轉(zhuǎn)換器驅(qū)動力密度較低、工作行程內(nèi)驅(qū)動力波動量較大，本文以電機械轉(zhuǎn)換器驅(qū)動力密度和其工作行程內(nèi)驅(qū)動力波動量兩個量作為優(yōu)化目標(biāo)，采用遺傳算法解決兩個優(yōu)化目標(biāo)間的矛盾關(guān)系，從而確定電機械轉(zhuǎn)換器永磁體軸向各環(huán)尺寸分布、內(nèi)外磁軛適宜尺寸及下端蓋適宜尺寸。遺傳算法從一個初始種群出發(fā)，不斷重復(fù)執(zhí)行選擇、交叉和變異操作，使種群越來越接近某一目標(biāo)，從而獲得最優(yōu)解和滿意解。

在電機械轉(zhuǎn)換器外圍尺寸為50mm確定的前提下，結(jié)合其他電機電磁場的設(shè)計經(jīng)驗，在計算過程中初步設(shè)定永磁體的的厚度尺寸為4.00mm，線圈骨架與永磁體和外磁軛之間的間隙確定為0.20mm，永磁體的軸向尺寸、內(nèi)外磁軛及端蓋的優(yōu)化參數(shù)范圍如表1所示。

將表1中的參數(shù)范圍輸入有限元分析模型中，并將其計算結(jié)果輸入遺傳算法優(yōu)化模型，進(jìn)行相互迭代計算。根據(jù)電磁閥的驅(qū)動要求，選擇驅(qū)動力較大且工作行程內(nèi)驅(qū)動力波動量較小的結(jié)果，并結(jié)合相應(yīng)的加工能力，對各個優(yōu)化量進(jìn)行篩選得到優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

3.2 最優(yōu)尺寸的磁感應(yīng)強度分析

電機械轉(zhuǎn)換器經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后，確定了各部分的尺寸，根據(jù)電機械轉(zhuǎn)換器的磁場分布云圖可見電機械轉(zhuǎn)換器內(nèi)磁軛和下端蓋中有磁通密度幾乎為零的地方，為減輕電機械轉(zhuǎn)換器的整體質(zhì)量，對內(nèi)磁軛和下端進(jìn)行縮短和打孔處理。

3.3 線圈骨架結(jié)構(gòu)方案分析

電機械轉(zhuǎn)換器輸出的電磁力完全傳遞到閥芯才能保證電磁閥的響應(yīng)速度與控制精度，對線圈骨架不同結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行有限元建模，分析不同結(jié)構(gòu)方案的電磁線圈骨架的剛度。根據(jù)現(xiàn)有線圈骨架結(jié)構(gòu)形式初步確定三種線圈骨架的結(jié)構(gòu)方案。通過線圈骨架剛度分析，本文所選方案線圈骨架的最大變形量為0.22mm，能夠較好的將電機械轉(zhuǎn)換器的輸出電磁力準(zhǔn)確傳遞給電磁閥閥芯。

4? 驅(qū)動力力特征

經(jīng)FEM分析，電機械轉(zhuǎn)化器線圈處于中間位置時，線圈輸入1-10A/mm2電流密度，根據(jù)電機械轉(zhuǎn)換器F-I輸出特性曲線圖，輸入電流密度和輸出驅(qū)動力具有很好的線性度，在電機械轉(zhuǎn)換器工作過程中，可根據(jù)輸入電流的大小控制驅(qū)動力的大小，進(jìn)而控制閥芯運動，從而實現(xiàn)對電磁閥精確控制的目的。當(dāng)輸入電流密度為10A/mm2時，輸出電磁力峰值達(dá)到80.81N，驅(qū)動力在工作行程內(nèi)的最大波動量為4.90%，其輸出力特性適合電磁閥對電機械轉(zhuǎn)換器的要求。

5? 總結(jié)

本文提出一種新型動圈式電機械轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)方案，建立其有限元分析模型，通過有限元分析的方法對電機械轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計與性能分析。通過對電機械轉(zhuǎn)換器永磁體不同排列形式進(jìn)行對比分析，為加強電磁線圈工作氣隙的磁感應(yīng)強度，將電機械轉(zhuǎn)換器的永磁體采用Halbach陣列五環(huán)布置在經(jīng)過發(fā)黑處理的外磁軛上。采用遺傳算法對電機械轉(zhuǎn)換器驅(qū)動力密度和其工作行程內(nèi)驅(qū)動力波動量兩個量進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明輸入電流密度和驅(qū)動力具有很好的線性度，工作過程中可根據(jù)輸入電流的大小控制驅(qū)動力的大小，實現(xiàn)對電磁閥精確控制的目的。驅(qū)動力最大波動量較常規(guī)電機械轉(zhuǎn)換器性能有很大提升，可以很好地滿足電磁閥的比例驅(qū)動要求。

參考文獻(xiàn)：

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