双阀座电磁阀的负载特性仿真分析

张 榛

（北京控制工程研究所，北京 100190）

双阀座电磁阀的负载特性仿真分析

张 榛

（北京控制工程研究所，北京 100190）

通过有限元仿真软件Ansoft建立电磁阀的物理模型，计算电磁场中各变量之间的相互关系，将分析结果导入液压仿真软件AMESim的系统模型中，实现磁路结构、液路系统及机械传动之间的耦合，对双阀座电磁阀的响应时间、质量流量等负载特性进行更精确的仿真和分析.

双阀座电磁阀；耦合仿真；负载特性

姿态控制推力器的高可靠性对于航天器的在轨稳定工作至关重要，此类推力器往往采用具有快速响应特性的双阀座电磁阀作为推进剂的开关装置，实现工况转换.电磁阀两级串联的密封结构可以有效保证推力器15年以上的工作寿命.

双阀座电磁阀的结构比较复杂，涉及到机、电、磁、液多种领域知识，很难建立准确的计算模型，仅仅依靠经验公式结合试验的传统设计方法，难以对其负载特性进行准确的分析［1］.

随着仿真技术的日渐成熟，很多专业仿真软件成为设计分析的有力工具.Ansoft基于物理模型进行有限元建模仿真，能够提供较准确的电磁场分析结果，但无法与液路负载进行耦合分析；AMESim从系统角度着眼，能便捷地构建电磁阀的磁路、液路和运动模型，但其电磁铁模型的计算准确度相对较低.结合两种软件的优势，将Ansoft对于电磁阀磁路的精确计算结果代入AMESim建立的系统模型中进行耦合求解，可以提高建模的完整性，使仿真结果更加准确［2］.

1 电磁阀结构及模型

双阀座电磁阀采用螺线管驱动的上下阀座串联密封结构，用一个电磁线圈和一个衔铁控制上、下游两个阀座的开关动作，如图1所示.通电后，电磁阀产生足够大的电磁力吸合衔铁组件打开下阀，并推动顶杆运动，将上阀座顶开，阀门处于开启状态，使具有一定压强的推进剂进入推力室点火工作.断电时，衔铁释放，上、下阀座在片弹簧的作用下复位，实现两级密封，阀门处于关闭状态，切断推进剂供应，并保持密封.该电磁阀有体积小，重量轻，结构紧凑，密封可靠的特点.

在忽略磁饱和、涡流、磁滞等因素的条件下，建立电磁阀的数学模型.

图1 双阀座电磁阀结构示意图Fig.1 Structural sketch of double seat solenoid valve

1）电压平衡方程

式中，U、R、i、N、φ分别表示驱动电压、线圈电阻、驱动电流、线圈匝数和磁通量.

2）动力学方程

式中，FM、m、δ、c、F0分别表示电磁力、衔铁质量、气隙、弹簧刚度和初始负载力.

3）磁路方程

式中，δ0表示初始气隙.

对式（1）、（2）、（3）联立求解，得出电磁阀开启、关闭响应时间的表达式［3］：

式中，ton、tc、L、L′、δm、ion、ic、I分别表示开启时间、关闭时间、开启电感、关闭电感、最终气隙、开启电流、关闭电流和稳态电流.

由式（4）和（5）可知，电磁阀的开、关响应时间主要与电磁力、电感、气隙和驱动电流4个变量相关.通过Ansoft软件可以计算出这4个变量之间的相互关系，作为AMESim电磁铁模型的输入条件，代入系统模型中进行运算求解.

2 仿真分析

2.1 Ansoft电磁仿真

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在Ansoft软件中建立电磁铁的轴对称模型，如图2所示.

设定气隙和线圈安匝数为参变量，以电磁力和电感为求解对象，对电磁铁模型进行二维变参分析［4］，求解得出这4个变量之间的相互关系，如图3～4所示.

图2 Ansoft电磁铁仿真模型Fig.2 Simulation model for Ansoft solenoid

图3 电磁力与气隙、线圈安匝数之间的关系Fig.3 Relationship between electromagnetic force and air gap and coil ampere-turn

图4 电感与气隙、线圈安匝数之间的关系Fig.4 Relationship between inductance and air gap and coil ampere-turn

2.2 AMESim系统仿真

在AMESim中创建双阀座电磁阀的系统仿真模型，模型包括电磁单元、液压单元和机械传动单元，如图5所示.

电磁单元选用模块EMLT10作为电磁铁模型，将Ansoft的计算结果输入AMESim表格编辑器.设定电压控制信号驱动电磁铁的动作.在线圈的续流回路中设置51Ω电阻，以提高电磁阀的关闭速度.

图5 AMESim软件中的双阀座电磁阀仿真模型Fig.5 Simulation model for double seat solenoid valve in AMESim software

液压单元包括入口压力源、上级阀、中间腔、下级阀、模拟阻尼孔和出口低压罐.选用模块BAP31作为喷嘴挡板阀座模型.使用PROE软件建立中间腔流道的模型，测出电磁阀中间腔容积为1.76cm3.设定模拟阻尼孔的通径为Φ0.3mm，用于模拟电磁阀下游的喷注器流阻.

机械传动单元包括上游弹簧、下游弹簧和活动件.选用MAS30模块作为活动件衔铁和顶杆的模型，可以真实反映该阀的衔铁与顶杆间的传动特点，模拟上阀动作行程和下阀动作行程之间存在的空程间隙.

3 仿真结果及验证情况

电磁阀的励磁线圈是感性元件，通电后，电流按照指数曲线从零开始增加，衔铁所受到的电磁吸力也相应上升.当电磁吸力上升至足以克服负载力时，衔铁开始运动，并切割磁力线产生很强的反电势，使电流急剧下降，直至衔铁完全吸合.之后，电流继续按指数曲线增至稳态.衔铁的释放过程与吸合过程相似.

监测线圈电流随时间的变化，可获得电流曲线.通过电流曲线可以确定电磁阀的开关响应时间［5］.

设定线圈的通电时间为30ms，研究在上游工作压力为2MPa，下游有Φ0.3mm阻尼孔的负载工况下，双阀座电磁阀的响应特性.经过仿真，得到线圈电流曲线如图6所示，衔铁运动曲线如图7所示.两图中A点表示电磁阀开启，B点表示电磁阀关闭.

图6、图7反映双阀座电磁阀动态响应特点.电磁阀的上阀行程与下阀行程之间存在空程，所以电磁阀的下阀先开启，衔铁开始运动，当位移抵消空程后，因受上阀负载力作用而停止运动，当电磁力继续增大后，衔铁推动顶杆将上阀顶开，使得阀门完全开启.因此，在电流曲线的上升沿、下降沿都会因为衔铁的位移变化而发生抖动.

电磁阀为两级密封结构，因此在电磁阀关闭后，中间腔内会有一定压力的积液，可能对阀门的下一次动作造成影响.对中间腔积液压力的仿真结果如图8所示.

图6 双阀座电磁阀负载电流曲线Fig.6 Load current curve of double seat solenoid valve

图7 双阀座电磁阀衔铁位移量曲线Fig.7 Armature displacement curve of double seat solenoid valve

图8 中间腔积液压力Fig.8 Hydops pressure in interspace cavity

在电磁阀的关闭过程中，上阀先关闭，但由于液动力对于衔铁的作用，使得下阀的关闭有约3ms的滞后.所以，中间腔内的大部分压力都在上阀关闭后、下阀关闭前的时间段内卸除.仿真算出的积液压力仅为0.2MPa，对电磁阀下一次开启造成的延时影响仅约为0.1ms.

3.2 变工况动态响应特性

在下游无阻尼孔的工况和上游无压力的空载工况下，对双阀座电磁阀的响应特性进行仿真，并与负载工况下的仿真结果及10个真实电磁阀的平均实测结果进行对比，见表1.

表1 各种工况下电磁阀响应特性对比Tab.1 Comparison table of valve’s response characteristics in differentworking conditions

从仿真和实测结果中可看出：

1）双阀座电磁阀的空载工况与负载工况相比，负载力较小，所以开启时间较短.但关闭时间相差不大，主要原因是在负载工况下，大部分的压降都在阻尼孔上，所以阀门上下游压差不大，因此积液压力对关闭时间的影响较小.

2）无阻尼孔工况与负载工况相比，由于压降都在阀门上，所以导致电磁阀的开启时间较长而关闭时间较短.

在不同工况下，AMESim仿真计算得到的电磁阀响应特性结果均与实测值相近.

3.3 流量压降特性

以水作为工作介质，设定电磁阀的上下游压差为0.05MPa，对电磁阀的流量特性进行仿真，计算阀门质量流量为3.96g/s，与实测值3.7～4.2g/s相符，如图9所示.

图9 双阀座电磁阀流量曲线Fig.9 Flow curve of double seat solenoid valve

4 结 论

采用Ansoft和AMESim软件联合建立的双阀座电磁阀仿真模型更加真实完整，实现了磁路、液路和机械传动单元之间的耦合，仿真结果更加准确，较好地反映了双阀座电磁阀的负载响应特性和运动特点，并可以对在试验中难以分析的问题，如中间腔的积液压力等进行研究，为电磁阀的设计与分析提供了一种更有效的方法.

［1］ 孙艳玲，王永良，金光耀.电磁先导阀动态特性仿真与分析 ［J］.流体传动与控制，2011（2）：21-23 Sun Y L，Wang Y L，Jin G Y.Simulation and analysis on the dynamic characteristics of solenoid pilot valve［J］.Fluid Power Transmission and Control，2011（2）：21-23

［2］ 王扬彬，徐兵，刘英杰.基于Ansoft及AMESim的电磁铁动态特性仿真分析 ［J］.机床与液压，2008，20（9）：104-108 Wang Y B，Xu B，Liu Y J.Simulation analysis of dynamic characteristics of Ansoft and AMESim based solenoid［J］.Machine Tool and Hydraulics，2008，20（9）：104-108

［3］ 沈公槐.改进电磁阀动态特性的一种方法［J］.航天控制，2001，19（3）：75-81 Shen G H.A method for improving dynamic characteristics of solenoid valve［J］.Aerospace Control，2001，19（3）：75-81

［4］ 刘国强，赵凌志，蒋继娅.工程电磁场有限元分析［M］.北京：电子工业出版社，2006 Liu G Q，Zhao Z L，Jiang JY.Finite element analysis of engineering electromagnetic field［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industries，2006

［5］ 张榛.电磁阀动态响应特性的有限元仿真与优化设计［J］.空间控制技术与应用，2006，34（5）：53-56 Zhang Z.FEA simulation of dynamic response of solenoid valve and its optimal design［J］.Aerospace Control and Application，2006，34（5）：53-56

Sim ulation Analysis of Load Characteristicsof Double Seat Solenoid Valve

ZHANG Zhen
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China）

The solenoid valve’s physicalmodel is built based on Ansoft to gain interdependence of some variables in electromagnetic field.The simulation result of the Ansoft is led into the AMESim system model to realize the coup led simulation of electromagnetic structure，hydraulic system and mechanicalmovement.For the double seat solenoid valve，more accurate simulation analysis results of load characteristics，such as load response time and mass flow rate can be obtained.

double seat solenoid valve；coupled simulation；load characteristic

TM503+.1

A

1674-1579（2012）02-0045-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.02.009

张 棒（1983—），男，工程师，研究方向为推进技术.

2011-09-07