林 濤，文傳濤，韓鳳琴

(1.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510800；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州 510640)

引言

近年來(lái)隨著我國(guó)“一帶一路”政策的帶動(dòng)，為滿足不同地域、氣候等國(guó)家對(duì)空調(diào)設(shè)備的使用需求與符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，探究電磁閥的特性顯得尤其迫切。而電磁閥作為空調(diào)的核心部件，國(guó)內(nèi)外的研究較少，劉曈昽等[1]發(fā)現(xiàn)閥芯類型、行程和氣隙對(duì)電磁閥輸出性能的影響，有利于指導(dǎo)電磁閥的設(shè)計(jì)。楊琪等[2]利用Ansoft Maxwell選出電磁閥驅(qū)動(dòng)電壓、電流等參數(shù)與線圈匝數(shù)的最佳組合。陳博聞等[3]提出了一種最大電磁吸力密度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法并通過(guò)數(shù)值仿真加以驗(yàn)證。馮振偉等[4]提出一種可用于氣動(dòng)微流控芯片氣壓控制的PDMS電磁微閥并利用MATLAB/Simulink軟件建立模型進(jìn)行閥芯驅(qū)動(dòng)力、響應(yīng)特性等分析。孫賓等[5]建立電磁閥流固耦合模型，開(kāi)展熱物理場(chǎng)數(shù)值仿真研究，并與實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，最大誤差在7.0%以內(nèi)，數(shù)值仿真模型準(zhǔn)確度較高是行之有效的研究方法。YANG Meisheng等[6]提出將彈簧設(shè)置在電磁鐵動(dòng)鐵芯頂部的新型電磁閥結(jié)構(gòu)，并建立可靠的數(shù)值模型進(jìn)行仿真。E L等[7-11]研究大量高速閥的結(jié)構(gòu)與電磁特性的工作機(jī)理。WANG Q L等[12]提出Al-Fe軟磁材料，并對(duì)磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有效降低磁路的磁阻，提高磁導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和強(qiáng)磁力。SUN Z Y等[13]探究驅(qū)動(dòng)電流和電磁閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括鐵芯長(zhǎng)度、磁極截面積等對(duì)靜態(tài)電磁特性的影響，得出輸入電流的大小是電磁場(chǎng)的主要影響因素。電磁力對(duì)電磁閥的性能至關(guān)重要，是衡量電磁閥性能的重要指標(biāo)，設(shè)計(jì)更大的電磁力來(lái)提高電磁閥的快速性、更低的啟動(dòng)電壓成為研究熱點(diǎn)。而電磁力的產(chǎn)生又跟電磁閥線圈結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的勵(lì)磁有關(guān)，因此對(duì)電磁閥線圈結(jié)構(gòu)特性的研究和性能分析顯得尤為重要。本研究以Maxwell電磁有限元軟件中的式(1)～式(4)作為電磁場(chǎng)分析的出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)，建立電磁閥2D結(jié)構(gòu)模型，研究線圈結(jié)構(gòu)、匝數(shù)、輸入電壓等參數(shù)對(duì)電磁閥的電磁力、響應(yīng)時(shí)間、吸合時(shí)間等性能的影響。通過(guò)分析電磁閥主體結(jié)構(gòu)的磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁力線的分布，量化線圈結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電壓、匝數(shù)對(duì)電磁力、負(fù)載力、線圈電流、動(dòng)鐵芯位移及運(yùn)動(dòng)速度的影響。為空調(diào)電磁閥的開(kāi)發(fā)提供參考。

(1)

(2)

▽×D=ρ

(3)

▽×B=0

(4)

1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為常見(jiàn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥，其電磁鐵主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。電磁閥的主體結(jié)構(gòu)由動(dòng)鐵芯、隔磁套管、靜鐵芯、線圈、外殼體、主體、波紋管等組成。該電磁閥利用載流鐵芯線圈產(chǎn)生的電磁力對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，以完成預(yù)期設(shè)定動(dòng)作。其主要工作原理為：當(dāng)通電時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁作用，進(jìn)而隨之產(chǎn)生的電磁力會(huì)使固定鐵芯吸合動(dòng)鐵芯，促使閥門打開(kāi)，制冷劑開(kāi)始作用，在達(dá)到設(shè)定溫度值后，線圈斷電，電磁力消失，閥針在彈簧的作用下，將閥體通道堵住，關(guān)閉制冷劑循環(huán)，從而起到調(diào)節(jié)溫度的作用。

圖1 電磁鐵主體結(jié)構(gòu)

2 電磁閥的數(shù)值模型

為研究電磁閥主體結(jié)構(gòu)在通電過(guò)程中的磁場(chǎng)分布規(guī)律、磁感應(yīng)強(qiáng)度及電磁鐵的吸力特性,基于Maxwell模塊對(duì)電磁閥進(jìn)行數(shù)值仿真與磁場(chǎng)、磁場(chǎng)力等性能分析。為簡(jiǎn)化仿真模型，電磁閥的主體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為：骨架、棒和求解的區(qū)域均采用真空材料，線圈采用銅質(zhì)材料，活塞、線圈墊片、導(dǎo)管、擋鐵、外殼和動(dòng)鐵芯均使用軟磁合金材料為C12L14，該材料的磁化曲線如圖2所示。

圖2 C12L14的磁化曲線

因電磁閥主體結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際尺寸建立二維軸對(duì)稱模型。一些螺紋、倒角因不影響計(jì)算精確度，在建模時(shí)將其進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型對(duì)周圍空氣建模充分考慮了漏磁的影響。因動(dòng)鐵芯在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在動(dòng)態(tài)計(jì)算時(shí)網(wǎng)格總是在不斷重新劃分，為減少網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量和提高網(wǎng)格質(zhì)量，建立二維瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真模型與網(wǎng)格劃分如圖3所示。采用二維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計(jì)算，網(wǎng)格總數(shù)6000，網(wǎng)格質(zhì)量在0.75以上。動(dòng)鐵芯在全程做直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)圍繞坐標(biāo)系為整體坐標(biāo)系，運(yùn)動(dòng)方向選擇Z軸正方向。運(yùn)動(dòng)的初始位置為[x=0,z=0]，動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)行程為Z軸正方向0.76 mm處，其坐標(biāo)為[x=0,z=0.76]，動(dòng)鐵芯的質(zhì)量為0.034 kg，忽略運(yùn)動(dòng)摩擦阻力；運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力根據(jù)胡克定律f=Kx可表示為F=-(K1z1+K2z2)，K為復(fù)位彈簧的剛度值，其中K1為動(dòng)鐵芯與靜鐵芯之間彈簧的剛度值，K1=710，K2為靜鐵芯與波紋管之間彈簧的剛度值，K2=400，負(fù)號(hào)表示受力方向與運(yùn)動(dòng)正方向相反。動(dòng)鐵芯的工作氣隙為0.76 mm，模型中的線圈繞組匝數(shù)為890匝，線圈激勵(lì)電壓為6 V，電阻為10.9 Ω。

圖3 電磁閥的二維瞬態(tài)仿真模型與網(wǎng)格劃分

3 計(jì)算結(jié)果分析

模擬結(jié)果包括線圈匝數(shù)恒定的情況下，圓柱形線圈結(jié)構(gòu)和T字形線圈結(jié)構(gòu)的比較、改變線圈匝數(shù)10個(gè)工況，線圈匝數(shù)恒定的條件下，改變線圈結(jié)構(gòu)對(duì)電磁力、響應(yīng)時(shí)間、吸合時(shí)間等性能參數(shù)的影響，以及結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下，電壓對(duì)性能參數(shù)的影響。

圖4 不同線圈結(jié)構(gòu)的磁力線分布圖

在額定參數(shù)一定的情況下，圓柱形線圈結(jié)構(gòu)與T字形線圈結(jié)構(gòu)的電磁閥磁場(chǎng)分布以及磁力線分布如圖4～圖5所示。從圖4磁力線的分布圖可以看出不同的線圈結(jié)構(gòu)均存在漏磁現(xiàn)象，但T字形線圈結(jié)構(gòu)的電磁閥在線圈集中的動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)磁力線比較集中，且漏磁小。從圖5可知圓柱形線圈結(jié)構(gòu)與T字形線圈結(jié)構(gòu)的電磁閥的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值分別為1.4 A(Wb/m)和1.5 A(Wb/m)。

圖5 不同線圈結(jié)構(gòu)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

在動(dòng)鐵芯的工作氣隙為0.76 mm、驅(qū)動(dòng)電壓為 6 V 的情況下，波紋管受到的負(fù)載力F2、動(dòng)鐵芯所受到的電磁力F1、運(yùn)動(dòng)速度v、位移s及回路電流I隨時(shí)間t的變化關(guān)系分別如圖6～圖10所示。虛線表示圓柱形線圈各參數(shù)的變化情況，實(shí)線則為T字形線圈各參數(shù)的變化情況。綜合分析可知，改變電磁閥線圈的結(jié)構(gòu)，在相同的工況下動(dòng)鐵芯的各項(xiàng)性能參數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。在圓柱形線圈結(jié)構(gòu)中，由于線圈中存在電感，電流逐漸由0增加至0.2435 A后呈線性增加并在8 ms時(shí)線圈電流達(dá)到0.2667 A，動(dòng)鐵芯動(dòng)作后，速度逐漸變快隨后增加至267.0261 mm/s，在9.6 ms 時(shí)與靜鐵芯吸合，運(yùn)動(dòng)終止，運(yùn)動(dòng)速度為0。即動(dòng)鐵芯的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為1.8 ms，觸動(dòng)時(shí)間為8 ms，吸合時(shí)間為9.8 ms。

當(dāng)T=20 ms時(shí)，T字形線圈與圓柱形線圈的電磁閥各參數(shù)值如表1所示，從表中可以看出T字形線圈的電磁力為9.4575 N較于圓柱形線圈8.5363 N提高10.8%，吸合時(shí)間提前0.1 ms。電磁閥的開(kāi)啟電流與吸合電流仿真測(cè)試結(jié)果與采用單次觸發(fā)測(cè)試法實(shí)測(cè)均值的相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，數(shù)值仿真結(jié)果具有一定的參考價(jià)值，具體如表2所示。(測(cè)試設(shè)備為數(shù)字示波器UTD2102-CEL，測(cè)量精度為±0.1 mA)根據(jù)麥克斯韋吸力F的的表達(dá)式：

表1 優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)前后的各參數(shù)變化情況

表2 開(kāi)啟電流與吸合電流仿真測(cè)試結(jié)果與實(shí)際測(cè)試均值的比較

圖6 時(shí)間與電磁力的變化曲線圖

圖7 時(shí)間與負(fù)載力的變化曲線圖

圖8 時(shí)間與速度的變化曲線圖

圖9 時(shí)間與位移的變化曲線圖

圖10 時(shí)間與電流的變化曲線圖

圖11 驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)電磁鐵性能的影響

根據(jù)電磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式：

(5)

其中,N為勵(lì)磁線圈匝數(shù);I為勵(lì)磁電流，A；Le為有效磁路長(zhǎng)度，m；μ為鐵心的磁導(dǎo)率。從圖12可看出線圈匝數(shù)N對(duì)電磁鐵性能的影響，在線圈激勵(lì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)恒定、激勵(lì)電壓為6 V，電阻為10.9 Ω的情況下，隨著線圈匝數(shù)從850匝增加到970匝，步長(zhǎng)為40匝，工作氣隙為0.76 mm時(shí)，動(dòng)靜鐵芯的吸合時(shí)間隨匝數(shù)增加而增加至10.0 ms時(shí)趨于穩(wěn)定，隨后吸合時(shí)間與電流呈線性，且在850匝時(shí)吸合力最優(yōu)。線圈匝數(shù)與吸合時(shí)間、吸合力的關(guān)系如表3所示。

表3 線圈匝數(shù)與吸合時(shí)間、吸合力的關(guān)系

圖12 線圈匝數(shù)對(duì)動(dòng)鐵芯性能的影響

4 結(jié)論

本研究利用Maxwell有限元分析軟件對(duì)汽車空調(diào)電磁閥上的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維瞬態(tài)磁場(chǎng)與特性仿真分析，得出以下結(jié)論：

(1) 通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)影響電磁力，而電磁力可以通過(guò)增加線圈的匝數(shù)來(lái)改變。在匝數(shù)一定的情況下，改變線圈的結(jié)構(gòu)且電磁力大小與線圈匝數(shù)之間的關(guān)系接近線性，T字形線圈的結(jié)構(gòu)更有利于提升局部電磁場(chǎng)強(qiáng)度;

(2) 電磁力與激勵(lì)電壓成正比例，額定工況下，T字形線圈受到的電磁力比圓柱形線圈結(jié)構(gòu)大，呈逐漸遞增，且隨著電壓的增加而增加，T字形結(jié)構(gòu)線圈的電磁力線性效果更加受力均勻具有良好的可控性，同時(shí)擴(kuò)展電磁閥的激勵(lì)電壓范圍;

(3) 改變電磁閥的響應(yīng)時(shí)間以及應(yīng)用電壓范圍，除改變電磁閥的磁感應(yīng)強(qiáng)度，還可以改變動(dòng)鐵芯與靜鐵芯、靜鐵芯與波紋管之間彈簧的彈性系數(shù)，調(diào)節(jié)T字形線圈結(jié)構(gòu)的梯度角等將是接下來(lái)的研究重點(diǎn)。