影響高速開關(guān)閥響應(yīng)特性的主要設(shè)計參數(shù)分析

李娜娜, 冀 宏, 魏列江, 劉新強(qiáng), 劉亞斌

(蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730000)

引言

以高速開關(guān)閥橋為先導(dǎo)級的數(shù)字比例閥抗污染能力強(qiáng)，可靠性高，易于制造，控制方法靈活，是工程機(jī)械等裝備數(shù)字化、智能化發(fā)展中的核心元件。而高速開關(guān)閥作為數(shù)字比例閥先導(dǎo)級橋路的唯一組成元件，其高頻響是制約數(shù)字比例閥控制性能的主要因素。

長期以來，學(xué)者們在提高高速開關(guān)閥響應(yīng)頻率方法上做了大量研究，主要包括改善結(jié)構(gòu)、材料、控制方法等。在結(jié)構(gòu)方面，LANTELA T等[1]提出一種大流量、高響應(yīng)的先導(dǎo)操作型數(shù)字閥；HAINK C等[2]提出了一種基于單向旋轉(zhuǎn)閥芯的新型PWM開關(guān)閥以提高響應(yīng)頻率；VOLKOV V Y等[3-6]使用特殊材料和特殊結(jié)構(gòu)來制作電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)更快的響應(yīng)；MAN J等[7]在電磁執(zhí)行器中使用了永磁體殼，改善高壓應(yīng)用時閥的動態(tài)性能；KOGLER H等[8]設(shè)計了一種具有特殊隔磁環(huán)位置的高速開關(guān)閥，加快了響應(yīng)速度。國內(nèi)，吳帥等[9]研究了高速開關(guān)電磁鐵的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和參數(shù)；阮健等[10-12]對一種二維閥的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了快速響應(yīng)；劉曉鵬等[13]提出一種音圈電機(jī)直驅(qū)高速開關(guān)閥，有效縮短了高速開關(guān)閥響應(yīng)時間；方洋等[14]對高速開關(guān)閥動態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究，分析了驅(qū)動電壓、黏性阻尼系數(shù)等參數(shù)對高速開關(guān)閥響應(yīng)特性的影響。

以上對高速開關(guān)閥電磁鐵部分結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析與優(yōu)化以增大電磁力，但是單純的增大電磁力只能對高速開關(guān)閥運動過程中的某一個階段響應(yīng)速度加快，并不能使閥芯在考慮運動各階段的總體響應(yīng)速度加快，且以上對擋鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究并未提及。

本研究以高速開關(guān)閥橋式數(shù)字比例閥中二位二通常閉型高速開關(guān)閥為對象，以提高高速開關(guān)閥響應(yīng)速度為目標(biāo)，分析了線圈與銜鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)、復(fù)位彈簧剛度、擋鐵環(huán)形接觸面積對高速開關(guān)閥運動各階段響應(yīng)速度的影響規(guī)律。

1 高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)及工作原理

本研究二位二通常閉型高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理為：給高速開關(guān)閥線圈6提供PWM激勵電壓，高電平時，線圈通電，其周圍產(chǎn)生磁場，銜鐵4被磁化，強(qiáng)化磁場，利用封套1、銜鐵4、擋鐵7與閥外圍磁軛3形成閉合磁路，產(chǎn)生足夠的電磁吸力，克服彈簧力，使銜鐵向右與擋鐵吸合，推動推桿11及鋼球8向右運動，從而打開閥口；低電平時，線圈斷電，在電感作用下，線圈電流逐漸減小，電磁力逐漸減小并消失，當(dāng)彈簧作用力大于電磁力時，推桿及鋼球向左運動，銜鐵逐漸釋放回復(fù)至初始位置，高速開關(guān)閥閥口關(guān)閉。通過控制PWM激勵電壓信號的占空比，控制銜鐵吸合與復(fù)位的頻率，從而控制高速開關(guān)閥閥口的開關(guān)頻率，最終控制高速開關(guān)閥的平均輸出流量和壓力。

1.封套 2.線圈骨架 3.磁軛 4.銜鐵 5.隔磁環(huán) 6.線圈 7.擋鐵 8.鋼球 9.彈簧 10.閥套 11.推桿 12.氣隙

2 高速開關(guān)閥理論分析

高速開關(guān)閥從結(jié)構(gòu)上主要分為三部分：電磁、機(jī)械、液壓流體部分。為了研究高速開關(guān)閥設(shè)計參數(shù)對其響應(yīng)性能的影響，忽略液壓流體對銜鐵組件的作用，因此本次理論分析及建模主要從以下兩部分進(jìn)行。

2.1 電磁部分

高速開關(guān)閥線圈通電，使得線圈周圍形成電磁回路，從而產(chǎn)生電磁力。根據(jù)磁路歐姆定律，可得高速開關(guān)閥電磁部分的等值磁路，如圖2所示。

圖2 高速開關(guān)閥電磁部分等值磁路

由基爾霍夫電壓定律可得控制電路模型為：

(1)

式中，R—— 線圈內(nèi)阻

I—— 線圈電流

L(c) —— 線圈感應(yīng)系數(shù)

L(c)表達(dá)式為：

(2)

式中，c—— 氣隙長度,c=c0-x

c0—— 初始?xì)庀堕L度

x—— 銜鐵位移

N—— 線圈匝數(shù)

A—— 氣隙有效截面積

μ0—— 氣隙導(dǎo)磁系數(shù)，其值為4π×10-7

Wb/(A·m)

因構(gòu)成氣隙的截面為圓環(huán)形截面，考慮氣隙的邊緣效應(yīng)，計算氣隙的有效截面積為：

A=π×(r+c0)2

(3)

式中，r—— 構(gòu)成氣隙截面的較小截面半徑

磁通Φ主要分為兩部分：一部分為鐵芯內(nèi)部的有用磁通Φm，另一部分為漏磁通Φl。產(chǎn)生磁通量所需要的總磁勢為：

F=NI=Hclc+Hala+Hgc

(4)

式中，lc—— 鐵芯長度

Hc—— 鐵芯磁場強(qiáng)度

la—— 銜鐵長度

Ha—— 銜鐵磁場強(qiáng)度

Hg—— 氣隙磁場強(qiáng)度

根據(jù)圖2可得，磁路中磁通量為：

(5)

式中，Rc—— 鐵芯磁阻

Rg—— 氣隙磁阻

Ra—— 銜鐵磁阻

lc,la—— 鐵芯和銜鐵長度

Ac,Aa—— 鐵芯和銜鐵橫截面積

則由磁場產(chǎn)生的電磁力：

(6)

式中，W—— 磁場儲能

2.2 機(jī)械部分

利用牛頓第二定律，建立高速開關(guān)閥動態(tài)平衡方程，可得：

(7)

式中，F(xiàn)m—— 電磁力

Fk—— 彈簧力，F(xiàn)k=K(x0+x)

K—— 復(fù)位彈簧剛度

x0—— 彈簧預(yù)壓縮量

m—— 銜鐵、推桿與鋼球組件總質(zhì)量

3 高速開關(guān)閥模型

3.1 高速開關(guān)閥聯(lián)合仿真模型建立

為了分析設(shè)計參數(shù)對高速開關(guān)閥響應(yīng)特性的影響，在ANSYS Electronics電磁場仿真軟件中建立二維高速開關(guān)閥瞬態(tài)分析簡化模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于高速開關(guān)閥沿z軸對稱分布，為提高計算效率，只建立1/2模型。銜鐵運動區(qū)域(Band域)對計算結(jié)果的精確度影響較大，因此對運動區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，總體計算模型及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3所示。選擇高速開關(guān)閥各組成部分材料：線圈為銅，線圈骨架為聚四氟乙烯，銜鐵、封套、擋鐵均為導(dǎo)磁性能好又具有快速退磁特性的軟磁純鐵，隔磁環(huán)為不銹鋼。

圖3 高速開關(guān)閥電磁計算模型及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

3.2 初始計算條件與線圈激勵信號

如圖3所示，銜鐵沿z軸做直線運動，取z軸正方向為速度正方向，因此設(shè)置銜鐵運動域為0～-0.25 mm，線圈驅(qū)動信號為PWM脈寬調(diào)制信號。高速開關(guān)閥初始計算參數(shù)如表1所示。

表1 高速開關(guān)閥的初始計算參數(shù)設(shè)定

為了提高閥響應(yīng)速度，采用直流24 V與12 V雙電源供電，利用Maxwell Circuit軟件設(shè)計高速開關(guān)閥線圈激勵電壓外部電路，如圖4所示，當(dāng)銜鐵處于初始位置時，為了使銜鐵快速吸合， 給線圈提供24 V直流電壓信號； 當(dāng)銜鐵與擋鐵吸合后， 給線圈提供12 V、10 kHz的高頻PWM信號，使得銜鐵以較小電流保持在吸合狀態(tài)；當(dāng)銜鐵復(fù)位時，將24 V直流電壓源反接在電感線圈上，給線圈提供短時反向24 V電壓信號，以達(dá)到快速退磁、提高閥關(guān)閉速度的目的。

圖4 高速開關(guān)閥線圈激勵電壓外部電路

圖4中，v1～v4為0～1 V脈沖電壓源，vt1～vt5為電壓表，s1～s6為壓控開關(guān)，D1～D10為二極管，L為高速開關(guān)閥電感線圈，R為線圈內(nèi)阻。在壓控開關(guān)上反向并聯(lián)二極管，消除電感線圈在接通或斷開時產(chǎn)生的沖擊電流，對開關(guān)進(jìn)行保護(hù)。在銜鐵吸合階段，s2，s3，s5同時閉合，其余開關(guān)斷開，給線圈提供24 V直流電壓；2 ms后銜鐵吸合，s2斷開，s1閉合，給線圈提供12 V高頻脈沖電壓，使線圈以較低的電流保持吸合狀態(tài)；10 ms后，s1，s2，s3，s5斷開，s4，s6閉合，給線圈提供瞬時反向24 V電壓，使銜鐵快速釋放。

將高速開關(guān)閥瞬態(tài)仿真模型與外部電路所設(shè)計激勵電壓電路進(jìn)行動態(tài)鏈接，設(shè)置銜鐵運動最大位置為0.2 mm，運行時間為20 ms，進(jìn)行聯(lián)合仿真，可得線圈實際電壓信號與閥芯位置響應(yīng)曲線，如圖5所示。

圖5 線圈驅(qū)動電壓

圖5位置響應(yīng)曲線中負(fù)號表示所研究高速開關(guān)閥銜鐵向z軸負(fù)方向吸合；td1為閥開啟延遲時間；ton為閥開啟時間；td2為閥關(guān)閉延遲時間；toff為閥關(guān)閉時間；高速開關(guān)閥響應(yīng)時間t=ton+toff。

3.3 高速開關(guān)閥模型驗證

1) 電磁特性

經(jīng)過仿真計算，得到8 ms時高速開關(guān)閥磁力線及磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，如圖6和圖7所示。

由圖6可知，高速開關(guān)閥線圈在通電時，線圈周圍磁通經(jīng)過封套、銜鐵、擋鐵與外圍磁軛形成閉合磁路，且離繞組越近的導(dǎo)磁體表層磁通量越大。擋鐵固定，從而對銜鐵產(chǎn)生向右的電磁吸力，克服銜鐵慣性力，使銜鐵向右運動，與擋鐵吸合，推動推桿和鋼球運動，從而使閥口打開；線圈斷電時，電磁力逐漸消失，銜鐵釋放，在復(fù)位彈簧的作用下，閥口關(guān)閉，銜鐵回復(fù)到原位。由圖7可知，在銜鐵吸合的過程中，氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，從理論上驗證了所建模型的正確性。

圖6 高速開關(guān)閥磁力線分布

圖7 高速開關(guān)閥磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

2) 試驗驗證

搭建高速開關(guān)閥測試試驗臺，如圖8所示。閥輸入24 V PWM信號，由于電流不方便直接測量，因此在高速開關(guān)閥線圈上串聯(lián)1 Ω電阻，利用100 MHz采樣頻率的示波器測量電阻兩端的電壓，可得通過高速開關(guān)閥線圈的等效電流，如圖9所示。

圖8 高速開關(guān)閥測試試驗臺

圖9 實測高速開關(guān)閥線圈電流

由圖9可知，當(dāng)線圈通電后，電流快速增大，使銜鐵吸合，氣隙逐漸減小，電感增大，線圈電流開始減小，直至銜鐵完全吸合，此時電感保持不變，線圈電流又開始增大，直至驅(qū)動電壓信號變?yōu)楦哳l脈沖信號，線圈電流保持在以高頻脈沖信號占空比確定的平均電流值附近。由此可見，由于實際高速開關(guān)閥參數(shù)與仿真設(shè)計參數(shù)不同，因此實測電流值與仿真電流值有所差別，但實測線圈電流變化趨勢與仿真所通電流變化趨勢一致，驗證了所建模型的正確性。

4 高速開關(guān)閥響應(yīng)特性分析

為了定量分析影響高速開關(guān)閥運動各階段響應(yīng)特性的主要因素，以高速開關(guān)閥線圈不通電時銜鐵的位置為零初始位置，線圈通電時銜鐵向右運動為吸合過程；線圈斷電，銜鐵在彈簧作用下向左復(fù)位為釋放過程。

4.1 線圈匝數(shù)對高速開關(guān)閥響應(yīng)特性影響

設(shè)置線圈匝數(shù)分別為300，400，500，對高速開關(guān)閥進(jìn)行仿真計算，可得線圈感應(yīng)電流和閥芯位置響應(yīng)曲線，如圖10所示。當(dāng)線圈匝數(shù)從300增大至500時，其增量為67%，后續(xù)分析中為了更接近實際值，各項設(shè)計參數(shù)均取整數(shù)進(jìn)行計算，所得結(jié)果統(tǒng)一折算至67%進(jìn)行分析。

由圖10可知，當(dāng)線圈匝數(shù)從300增加至500時，線圈的感應(yīng)系數(shù)增大，電流的增大速度減小，峰值電流減小，從而導(dǎo)致電磁力減小，因此銜鐵吸合速度變慢，閥開啟時間由1.08 ms增加至1.38 ms；但是由于感應(yīng)系數(shù)增大，在激勵電壓消失時，電感越大，其對電壓減小的阻礙作用增強(qiáng)，使得銜鐵釋放時延遲時間加長，閥關(guān)閉時間由2.4 ms增加至2.85 ms，其中延遲時間由1.11 ms增加至1.53 ms?？梢姡?dāng)線圈匝數(shù)增加67%時，高速開關(guān)閥開啟時間延長27.8%，關(guān)閉時間延長11.6%，總響應(yīng)時間延長21.6%。

圖10 不同線圈匝數(shù)時高速開關(guān)閥響應(yīng)

4.2 線圈內(nèi)阻對高速開關(guān)閥響應(yīng)特性影響

在其他設(shè)計參數(shù)不變的狀態(tài)下，設(shè)置線圈內(nèi)阻分別為6，8，10 Ω，對高速開關(guān)閥進(jìn)行電磁仿真計算，得到線圈感應(yīng)電流與閥芯位置響應(yīng)曲線，如圖11所示。

由圖11可知，隨著線圈內(nèi)阻由6 Ω增大至10 Ω，線圈峰值電流略有減小，高速開關(guān)閥銜鐵吸合速度變慢，閥開啟時間由1.21 ms增大至1.26 ms，變化不明顯；在銜鐵吸合之后，大的線圈內(nèi)阻導(dǎo)致線圈電流迅速下降，電磁力大幅減小，銜鐵釋放速度加快，從而縮短了閥關(guān)閉時間，使其由2.66 ms減少至2.22 ms，其中延遲時間由1.4 ms減小為1 ms。可見，當(dāng)線圈內(nèi)阻增大67%，高速開關(guān)閥開啟時間增加4%，關(guān)閉時間縮短16.5%，總響應(yīng)時間縮短10.1%。

圖11 不同線圈內(nèi)阻時高速開關(guān)閥響應(yīng)

4.3 閥芯質(zhì)量對高速開關(guān)閥響應(yīng)特性影響

設(shè)置閥芯質(zhì)量分別為10，20，30 g，對高速開關(guān)閥進(jìn)行仿真計算，可得線圈感應(yīng)電流和閥芯位置響應(yīng)曲線，如圖12所示。

由圖12可知，閥芯質(zhì)量由10 g增加至30 g時，銜鐵慣性力增大，啟動電磁力增大，因此啟動電流略有增大，其吸合速度減小，閥開啟時間由1.04 ms增加至1.38 ms；銜鐵釋放時大的質(zhì)量導(dǎo)致回復(fù)加速度變小，關(guān)閉時間由2.12 ms增加至2.75 ms，其中延遲時間變化不明顯。經(jīng)折算可知，隨著閥芯質(zhì)量增大67%，高速開關(guān)閥開啟時間增加11%，關(guān)閉時間增加9.9%，總響應(yīng)時間增加10.3%。

圖12 不同閥芯質(zhì)量時高速開關(guān)閥響應(yīng)

4.4 復(fù)位彈簧剛度對高速開關(guān)閥響應(yīng)特性影響

設(shè)置復(fù)位彈簧剛度分別為20，30，40 N/mm，對高速開關(guān)閥進(jìn)行仿真計算，可得線圈感應(yīng)電流和閥芯位置響應(yīng)曲線如圖13所示。

由圖13可知，當(dāng)復(fù)位彈簧剛度由20 N/mm增加至40 N/mm時，對線圈感應(yīng)電流及電磁力沒有影響，銜鐵吸合速度相同，開啟時間為1.24 ms基本保持不變；但是剛度增大導(dǎo)致銜鐵回復(fù)力增大，回復(fù)加速度變大，銜鐵釋放速度變快，閥關(guān)閉時間由2.71 ms減小至2.21 ms，其中延遲時間基本不變。經(jīng)折算可得，復(fù)位彈簧剛度增大67%時，高速開關(guān)閥開啟時間不變，關(guān)閉時間減小12.4%， 總體響應(yīng)速度加快8.7%。

圖13 不同彈簧剛度時高速開關(guān)閥響應(yīng)

4.5 環(huán)形接觸面積對高速開關(guān)閥響應(yīng)特性影響

所研究高速開關(guān)閥銜鐵與擋鐵吸合時，接觸面為環(huán)形接觸面，不同的接觸面積會產(chǎn)生不同的電磁力，從而導(dǎo)致高速開關(guān)閥響應(yīng)特性不同。分別設(shè)置環(huán)形接觸面的面積為10.93，14.07，16.96 mm2，對高速開關(guān)閥進(jìn)行仿真計算，可得閥芯位置響應(yīng)曲線，如圖14所示。

圖14 不同接觸面積時高速開關(guān)閥響應(yīng)

當(dāng)接觸面積由10.93 mm2增大到16.96 mm2時，電磁力增大，銜鐵起動峰值電流略有減小，銜鐵吸合速度加快，閥開啟時間由減小1.23 ms減小至1.21 ms；由于面積增大導(dǎo)致線圈感應(yīng)系數(shù)增大，因此銜鐵釋放延遲時間增長，閥關(guān)閉時間由2.40 ms增加至2.59 ms，其中，延遲時間由1.06 ms增加至1.25 ms；經(jīng)折算可知，當(dāng)接觸面積增大67%時，高速開關(guān)閥開啟時間縮短2%，關(guān)閉時間增加9.6%，總體響應(yīng)速度降低5.7%。

4.6 磁軛厚度對高速開關(guān)閥響應(yīng)特性影響

設(shè)置高速開關(guān)閥磁軛厚度分別為4，6，8 mm，對高速開關(guān)閥進(jìn)行仿真計算，可得線圈感應(yīng)電流和閥芯位置響應(yīng)曲線，如圖15所示。

由圖15可知，當(dāng)磁軛壁厚由4 mm增加至8 mm時，線圈感應(yīng)電流和銜鐵位置各階段響應(yīng)基本沒有變化，這是因為離線圈最近的導(dǎo)磁體構(gòu)成的磁路上磁通量最大，這與圖6所得到的磁場分布規(guī)則一致。

圖15 不同磁軛厚度時高速開關(guān)閥響應(yīng)

5 結(jié)論

本研究對所述高速開關(guān)閥工作原理進(jìn)行了理論分析，通過ANSYS電磁仿真軟件建立了高速開關(guān)閥軸對稱二維瞬態(tài)電磁學(xué)模型， 通過理論分析和試驗測試驗證了模型的正確性；利用Maxwell Circuit軟件，基于雙電源供電設(shè)計了高速開關(guān)閥線圈三激勵電壓電路，采用聯(lián)合仿真的方法對高速開關(guān)閥進(jìn)行瞬態(tài)模擬計算，對影響高速開關(guān)閥運動各階段響應(yīng)特性的主要因素進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1) 線圈匝數(shù)對高速開關(guān)閥響應(yīng)速度的影響最大，隨著線圈匝數(shù)增加67%，高速開關(guān)閥開啟時間和關(guān)閉時間均延長，總響應(yīng)時間延長21.6%；

(2) 線圈內(nèi)阻、閥芯質(zhì)量與復(fù)位彈簧剛度3個因素對高速開關(guān)閥響應(yīng)速度的影響次之，隨著線圈內(nèi)阻和復(fù)位彈簧剛度增大，高速開關(guān)閥響應(yīng)時間減少，響應(yīng)速度變快；隨著閥芯質(zhì)量增大，高速開關(guān)閥響應(yīng)時間增大，響應(yīng)速度變慢；

(3) 環(huán)形接觸面積對高速開關(guān)閥總響應(yīng)時間影響較小，隨著接觸面積增大，高速開關(guān)閥總體響應(yīng)時間略有增加；

(4) 磁軛壁厚對高速開關(guān)閥運動各階段響應(yīng)時間基本沒有影響。