车用电磁阀有限元分析

中北大学机械与动力工程学院 任海涛 张翼

1 引言

为确定该企业的电控液压阀的电压阀能够正常工作，本文对电磁阀的电磁场进行了有限元分析计算，得到电磁力，验证其合理性，同时分析了工作气隙和安匝数对电磁力大小的影响。

2 电磁阀的结构和工作原理

该电磁阀主要由壳体、复位弹簧、线圈、线圈架、隔磁环、动铁芯和定铁芯组成。（如图2.1所示）

图2.1 电磁阀结构图

该电磁阀工作原理为：通过电磁力和弹簧的复位力驱动动铁芯，并带动推杆移动，以达到阀的开启与闭合。在给线圈施加电流之前，在弹簧作用下，动铁芯与定铁芯处于分离状态，动铁芯下端推杆的球阀与阀座紧密结合，使阀处于关闭状态；给线圈施加电流后，随着电流逐渐增加，磁场增强，定铁芯对动铁芯的电磁力逐渐增大，直到克服弹簧作用力和摩擦力，开始带动动铁芯向上运动，阀即被打开。

3 电磁阀有限元分析

3.1 电磁阀有限元模型

本文中将电磁阀简化为轴对称模型，对其进行计算分析。考虑到复位弹簧的相对磁导率与空气的相对磁导率接近，将弹簧按空气处理，对计算结果的影响可以忽略不计。为提高电磁场求解精确度，选定划分网格的单元类型为PLANE53(四边形八节点插值函数)，自由度选用AZ，且为轴对称，简化后建立模型如图3.1所示。

图3.1 电磁阀简化模型

3.2 定义材料属性

电磁阀有限元模型中有7种材料区域：定义空气的相对磁导率为1；动铁芯和定铁芯材料为电磁纯铁，属于软磁材料，其磁化曲线如图3.2所示；定义线圈的相对磁导率为1；线圈架相对磁导率为1；隔磁环相对磁导率为1；壳体材料为碳素钢，相对磁导率为150。

图3.2 B-H曲线

3.3 划分网格求解

为各区域赋予材料属性和单元属性后，设置网格形状和尺寸，用Mesh工具划分网格，并对动铁芯与定铁芯靠近部位进行网格局部细化。加载过程中，首先定义动铁芯为一组件，对其加载力学边界条件；再对线圈施加电流密度；最后选择外围节点，施加磁力线平行条件。求解时选择求解器，确定为静态分析类型。求解后，在通用后处理中查看所有得出的结果，得到电磁力的大小、磁力线分布图、磁通密度云图和磁场强度云图。图3.3是气隙为0.4mm时的相关结果。

磁力线分布图

图3.3 气隙为0.4mm时计算结果

3.4 工作气隙对电磁输出力的影响

本文采用安匝数为1000NI时，将气隙从0mm增加到2.7mm，使用ANSYS软件计算得到相应的电磁力，结果如图3.4所示：

图3.4 气隙长度——电磁输出力关系图

从图中可以看出：当气隙长度从0增加到0.4mm时，动铁芯受力迅速减小，在这个区间内，随着气隙增大，电磁输出力迅速减小；气隙从1.6mm到2.7mm区间内，随气隙增大，电磁输出力变化不大。

3.5 安匝数对电磁输出力的影响

本文采用气隙为0.4mm，电流值为0.35A的条件下，分别计算了线圈安匝数为500NI，1000NI，1500NI，2000NI，2500NI，3000NI，3500N I，4000NI，4500NI，5000NI时的电磁输出力，来研究安匝数变化对电磁输出力的影响。

图3.5 安匝数——电磁输出力关系图

从图中可以看出，安匝数小于1000NI时，电磁输出力随着安匝数的增加而增加的速度较快。随着安匝数越来越大，电磁输出力增量越来越小，即增加安匝数不能显著提高电磁输出力。这是由于软磁性材料磁化的非线性，当安匝数增加到一定数值时，磁性材料的磁感应强度达到饱和状态，此时安匝数增大，电磁输出力变化就不太大。但线圈安匝数增大，发热量也将增大，因此设计电磁阀时，应根据材料的饱和磁通量选择安匝数，以保证增大电磁输出力的同时有效控制线圈的发热量。

4 结论

利用ANSYS软件，对电磁阀进行分析计算，得到的计算结果显示该电磁阀满足工作要求，能够正常的工作；同时还得到了安匝数和工作气隙对电磁输出力的影响曲线。

[1]孙明礼,胡仁喜,翠海蓉.ANSYS电磁学有限元分析实例指导教程[M].北京工业出版社,2007.

[2]金建铭.电磁场有限元方法[M].王建国译.西安：西安电子科技大学出版社,1997.