基于Ansoft的GDI高压泵电磁阀电磁特性仿真与分析

张美娟，陆玲亚，王吉华，宋睿智，居钰生

（1.无锡职业技术学院汽车技术系，江苏无锡 214089；

2.中国一汽无锡油泵油嘴研究所产品研发部，江苏无锡 214063）

基于Ansoft的GDI高压泵电磁阀电磁特性仿真与分析

张美娟1，2，陆玲亚2，王吉华2，宋睿智2，居钰生2

（1.无锡职业技术学院汽车技术系，江苏无锡 214089；

2.中国一汽无锡油泵油嘴研究所产品研发部，江苏无锡 214063）

文章利用Ansoft Maxwell软件仿真计算高压泵电磁阀的电磁特性，分析影响电磁力的主要因素，确定电磁阀的结构，并通过实验验证其结构设计的合理性。

Ansoft软件；GDI；电磁阀；电磁特性；仿真；分析

0 引言

汽油机缸内直喷技术（Gasoline direct injection，GDI）大大提高了发动机的燃油经济性和排放性能，成为当前汽油发动机研究的热点，其核心是缸内直喷燃油系统。在GDI燃油喷射系统中，高压泵电磁阀安装在高压泵进油口，通过控制电磁阀通断时刻，控制高压泵的供油量，最终实现对共轨压力的控制。缸内直喷汽油机高压泵电磁阀是发动机电控燃油喷射系统的关键部件，其电磁特性直接影响GDI燃油喷射系统乃至发动机的性能。因此，开展GDI燃油喷射系统高压泵电磁阀电磁特性研究，对提高GDI发动机的性能具有重要的意义。本文利用Ansoft Maxwell软件对GDI燃油喷射系统高压泵电磁阀进行电磁特性仿真计算和研究，并通过试验验证电磁阀结构设计的合理性。

1 高压泵电磁阀的工作过程

GDI燃油喷射系统高压泵电磁阀的结构主要由线圈、定铁芯、衔铁、阀杆、阀芯、回位弹簧、弹簧座等组成，其中衔铁与阀杆之间为过盈配合，阀杆与阀芯为一个整体。电磁阀在断电情况下，处于开启状态。当电磁阀线圈两端施加一定的驱动电流时，定铁芯中建立磁场，对衔铁产生电磁力。当电磁力大于回位弹簧的弹簧力时，衔铁就会带动阀杆沿气隙减小的方向运动（向上运动），使阀芯与阀座紧密接触，此时，电磁阀处于关闭状态。高压泵开始向高压共轨管输入燃油，燃油压力升高。当驱动电流消失时，定铁芯中的磁场迅速消失，电磁力也迅速消失，衔铁和阀杆、阀芯在回位弹簧的作用下复位，电磁阀重新开启，柱塞腔中的燃油经过低压油路泄流，高压泵停止向高压共轨管输油。

2 仿真模型的建立

为确定电磁线圈几何结构和参数选择的合理性，有必要对高压泵电磁阀及线圈进行仿真计算。电磁阀为轴对称结构，因此二维形式能够反映三维情况。本文采用Ansoft Maxwell软件对电磁阀进行二维建模分析，并采用如下理想化的处理方法：忽视零件上的开孔和凹槽等；由于弱磁材料（O型密封圈、尼龙密封垫、弹簧、线圈塑料骨架等）的导磁率非常小，接近空气的导磁率，建模型时忽略；电磁阀的静止件在进行布尔操作视为一体；一些几何上的细节平滑处理。[1，2]基于以上假定，建立了高压泵电磁阀二维模型图，如图1所示。保持定铁芯与衔铁之间的初始工作气隙为0.56mm，衔铁的最大位移为0.5mm，线圈直径为0.6mm，线圈匝数为125。模型网格划分示意图如图2所示。

图1 高压泵电磁阀二维模型图

图2 仿真模型网格示意图

电磁阀线圈通电后，采用二维静态电磁场分析，用磁力线形象地描述了线圈周围的磁场分布情况，如图3所示。其磁力线通过电磁阀部件和电磁线圈部件，形成一个完整的回路，构成了磁通的主要路径；很少部分磁力线分布于空气模型中，不影响电磁性能。由图3可知，运用仿真模型模拟计算的磁力线分布情况与电磁阀实际磁力线分布情况相符，所以，此仿真模型是合理可靠的，能够用此模型准确地研究各个因素对电磁阀电磁力的影响。

3 电磁力的影响因素分析

3.1 定铁芯与衔铁之间的初始工作气隙对电磁力的影响

图4为不同初始工作气隙（定铁芯与衔铁之间的最大距离）下，电磁力随着通电电流变化时的曲线。由图4可知，在电磁阀结构参数一定的情况下，当在电磁阀线圈两端施加驱动电流时，电磁力随着初始工作气隙的增大而减小（因为初始工作气隙增大，磁阻增大，磁场强度减小，电磁力下降）。为了获得一定的电磁力，工作气隙不能太大，但工作气隙太小，将会使阀芯与阀座之间的碰撞力增加，使得电磁阀的振动增加，稳定性变差。在初始工作气隙一定的情况下，电磁力随着通电电流的增大而增大。因此，通电电流越大，磁场强度越强，对衔铁的作用力就越大。

图3 仿真模型的磁力线分布图

图4 不同初始工作气隙下电磁力与线圈通电电流之间的关系曲线

3.2 线圈装配位置对电磁力的影响

衔铁、定铁芯、阀杆的材料均采用DT4，模型中确定线圈下端面与线圈罩壳下端面之间的距离3mm，轴向向上移动线圈，以改变线圈与线圈罩盖的相对位置，行程为0.5mm。在线圈与线圈罩盖之间不同的相对位置下，可以计算出电磁力与安匝数之间的关系曲线。

3.3 线圈导线直径对电磁力的影响

衔铁、铁芯、阀杆均采用DT4，保持电磁阀结构参数不变，只改变线圈导线的直径，在线圈宽度固定的情况下，线圈高度与线径的平方成正比，安匝数也与线径的平方成正比，具体计算如式（1）、（2）所示。

式中，b为线圈宽度（m），h为线圈高度（m），K为导线的绕紧系数（一般取1.1-1.2），A为线圈导线截面积（mm2），N为匝数，R为线圈的电阻（Ω），ρ为导线的电阻率（Ω·mm2/m）。

改变导线直径，反映在模型中为线圈高度的变化，模拟计算的电磁力结果如表1所示。

表1 不同线圈直径的计算结果

3.4 线圈匝数对电磁力的影响

线圈匝数对电磁阀特性的影响，实质上是电感量对其的影响。当其余参数保持不变时，线圈匝数的增加能提高磁势，促进电能与磁能的转换，从而增强电磁力，衔铁也可获得更大的加速度。确定衔铁、铁芯、阀杆均采用DT4，其余参数保持不变，只改变线圈匝数，则安匝数改变，模拟计算得到的电磁力结果如表2所示。

表2 不同线圈匝数的电磁力计算结果

随着线圈匝数增多，电磁阀的电磁力明显增大。但由于受线圈骨架和线圈结构尺寸的影响，线圈匝数不能增加太多；另一方面，匝数过多，相应地增加线圈的感应系数，电阻增大，响应时间加长，不利于电磁阀的控制。[3]在电磁阀结构参数一定的情况下，线圈的匝数不同，产生的电磁力也不一样，线圈匝数越多，电磁力越大。但线圈匝数不能太大，匝数越多，电阻就越大，电磁阀的响应时间将增加。

3.5 衔铁、铁芯和阀杆材料对电磁力的影响

将衔铁、铁芯、和阀杆采用同一种材料，先后以1Cr13、Y15和DT4作为材料。通过试验发现，不同电磁材料之间有着不同的磁饱和特性、剩磁特性等，在电磁阀结构参数一定的情况下，衔铁和铁芯的材料性能决定电磁阀的性能，选用具有高饱和磁感应强度、低剩磁感应和低矫顽力的高性能电磁材料，可以在较低的外部磁场强度下就可以获得较大的磁场强度和高磁感应强度。[4]在电磁阀结构相同的条件下，模拟计算不同电磁材料下的电磁力如表3所示。

表3 不同材料的计算结果

4 试验验证

对已设计的电磁阀进行试验，分别调节高压泵电磁阀的初始工作气隙为0.35mm、0.44mm和0.56mm，实测电磁力与驱动电流的关系如图5所示，电磁力的大小随着运动间隙的增加而减小，同时，电磁力随着驱动电流的增加而增加。实验结果与仿真结果相符。

图5 不同初始工作气隙下电磁力与电流之间的关系曲线

5 结束语

本文采用Ansoft Maxwell软件建立了高压泵电磁阀仿真模型；通过模拟计算，得出定铁芯与衔铁之间的初始工作气隙、线圈装配位置、结构尺寸、导线直径以及匝数、阀杆材料等对电磁力产生的影响；通过试验，测得不同初始工作气隙下、对应不同驱动电流时的电磁力值与模拟计算结果相近。本文研究的结果可以指导电磁阀结构设计，优选各参数，为实现电磁阀电磁特性的影响因素研究提供了新的思路与方法。

[1]孙成通,任好玲.常开式高速开关阀电磁铁的设计与性能仿真[J].机械设计,2009(6):10-12.

[2]刘国强.Ansoft工程电磁场有限元分析[M].北京:电子工业出版社,2005.

[3]宋睿智,李丽,夏少华,等.汽油直喷高压泵电磁阀线圈设计与电磁特性仿真[J].现代车用动力,2012(4):10-13.

[4]李开凤,李育学.共轨喷油器告诉电磁阀的材料选择研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2005(5):721-723.

Study on the Electromagnetic Characteristics Simulation of the Solenoid Valve For GDI High-pressure Pumps Based on Ansoft

ZHANG Mei-juan1，2,LU Ling-ya2,WANG Ji-hua2,SONG Rui-zhi2,JU Yu-sheng2
（1.Dept.of Automotive Technology,Wuxi Institute of Technology,Wuxi 214089,China;
2.Dept.of Research&Development,Chinese FAW Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute, Wuxi 214063,China）

This article applies ANSOFT to the simulation and calculation of the electromagnetic characteristics of the solenoid valve for high-pressure pumps,the analysis of the factors influencing the electromagnetic force as well as the determination of its structure.In addition,the rationality of the structure design is tested and verified via experiments.

Ansoft;GDI;Solenoid valve;Electromagnetic characteristics;Simulation;Analysis

U464.136

A

1671-9891（2014）04-0052-04

10.3969/j.issn.1671—9891.2014.04.014

2014-07-20

2013年度江苏省高职院校高级访问工程师项目（项目编号：FG123）。

张美娟（1977—），女，江苏泰兴人，无锡职业技术学院汽车技术系讲师，硕士。