基于磁场分析的空调器电磁阀结构参数设计

谢标志 眭 敏

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

前言

交流电磁阀是一种结构紧凑、体积小、全封闭的电磁电器，多用在空调制冷等行业中。电磁阀是利用电磁线圈绕组通过交变电流激法磁场产生电磁吸力，驱动阀芯运动以开启或关闭阀门的结构器件[1-4]，交流电磁电器工作中会产生磁滞、涡流损耗，为减小损耗铁芯由硅钢片叠压而成，而在电磁阀中，由于结构及尺寸特点，一般采用整体的铁芯和磁轭，电磁损耗更加严重，导致电磁阀运行温升显著，影响电磁阀的安全运行及寿命[5-8]。其设计结构、尺寸及计算电磁力值的精准程度决定了系统性能可靠的程度[9]。研究结果显示,在不同工作状态下精确获得通过磁轭和铁芯的磁感应值对电磁阀的结构设计和电磁力计算有重要影响[10]。但是,电磁力受数个参数影响，只根据磁芯和磁轭的磁感应强度进行计算会导致存在不充分的计算量和较大的误差[11-12]。为此，找到一种在空调的各种工作状态下有效预测磁感应强度和电磁力的方法是这些问题的解决方案。对磁感应强度特性影响因素的研究[13],众说纷纭。SEG等[14]在这方面做了相关研究：通过电磁理论推导了电磁制动器所产生的磁感应强度公式，利用位势能理论,成功地对舰船磁场进行了预测,并对电涡流缓速器电磁力计算公式进行了研究,并运用电磁位对A-Ф-A方法和库仑规范实现了三维涡流场定解问题的完整表述[15]。张逸等公开了一种无极变速调节的磁流变离合器发明专利，对永磁体和电磁线圈产生磁场共同作用下的电磁力传递提供了预测与调节方法[16]。本文基于位势能理论和麦克斯韦方程以及三维/二维仿真，根据电磁阀磁轭和铁芯处形成的磁场强度进行构造电磁阀磁感应强度、电磁力的预测模型，并分析推算某一类型电磁阀内铁芯形成的磁通密度，最终预测各种工作温度下的电磁力、磁感应，获得的预测值与理论计算值基本一致[17]。

1 电磁阀阀芯启动电磁力计算

选用虚功原理进行计算启动阀体所需要的电磁力。假设在空调器的制冷控制系统中，由n个电磁回路组成阀体与电磁线圈的系统，如图1和图2示，假定在磁场的电磁力作用下，系统中某磁路出现相对位移ds，且各回路磁链的变化为dψi，则外部电源完成的功的值与电磁阀系统内增加能量和磁场力作功总和的值相等[18～20]，即：

外部电源完成的功与系统中电流回路所链环内磁通量变化形成的感生电动势发生相互抵抗作用[20]，具体如下：

控制系统内磁场总能量：

控制系统内电磁线圈部分增加储能：

空调器的制冷控制系统内电磁线圈上的电流通过空调装置的控制芯片的高频变压器输出，并且电磁线圈的电感很小，则有dIi=0，从而有：

则：Fds=dWm，并对该式进行转化得：

若系统内针阀产生了轴向偏移s，那么针阀在轴向变化过程中受到电磁力F为：

在给定不同结构尺寸值的情况下，可以动态地描述磁性材料中的涡流在交变电磁场的作用下引起的磁场力的变化。通过这种磁力数学模型与铁磁材料力学模型结合，可以动态描述磁性材料在交变磁场作用下随磁场变化的动态力过程。

2 磁感应强度模型

假设某款空调器电磁阀，针阀长度L1为16 mm，针阀横截面积A为2 mm2，制冷转换制热、制热转换制冷工况阀针关闭系统高低压力差分别为1.1 Mpa、1.5 Mpa。若忽略针阀自重，根据阀针在空调系统制冷转换制热、制热转换制冷工况的正常工作所需要的驱动力：制冷转换制热所需电磁阀驱动力3.5～3.6 N，制热工况保持所需电磁阀驱动力5.8～6.0 N，并且线圈温度升高后保持力不得小于该数值。

电磁阀中电磁线圈的匝数、电流强度以及磁轭、针阀材料影响着针阀启动状态下所需电磁阀驱动力大小，所以，采用合适的电磁线圈结构、针阀材料等参数能更准确计算获得针阀启动所需要的电磁阀驱动力[20]。

电磁力可精确调控电磁线圈的三维结构、剖视图如图1、图2所示。其中，磁轭（1）选择材料为普通镀锌钢板，磁轭（1）与阀座（2）通过螺丝紧固。电磁线圈采取多组漆包线绕组串联，通过酚醛树脂注塑密封。

电磁线圈被磁轭（1）紧密应力包裹，无法松动。阀体（6）与阀针（7）通过车刀滚压紧密连接。阀体（6）与阀座（2）中间安置有弹簧，如图2。漆包线绕组通电后产生电磁力克服弹簧力、系统流体阻力，推动阀体（6）与阀针（7）运动。

将以上结构简化为电磁结构系统图，如图3。

2.1 电磁线圈匝数选择

综合考虑空调电磁阀结构特征与安装方式，选用通过铜线进行缠绕10 000匝的电磁阀，常温条件下其电磁线圈电阻为0.12 Ω左右。通过电源系统输出不同工作状态下所需的直流电，获得不同工作状态下的线圈电流安匝数，详细如本文第3节系统磁场分析。

2.2 针阀材料属性选用

在电磁线圈通电的条件下，系统中产生磁感应强度较大的磁化场，导致存在较强的电磁力作用在针阀上。只有撤去磁化场，针阀上的电磁力才会不存在[20]。为更好实现这一控制效果，需要选用具有软磁特征的材料作为针阀材料。同时，根据电磁力强度方面进行选择，可采用具有相对磁导率μM1.1、剩余磁化强度Br 1.20属性的软磁材料作为针阀材料。

2.3 磁轭材料属性选用

在制冷控制系统工作运行中，因为磁轭固定于空调器的内部，所以不存在载荷冲击作用于磁轭的情况。因此磁轭的表面需要尽可能的平滑，其材料可以选用非线性磁性材料作。选用磁轭材料B-H的磁化曲线如图4示。

图1 电磁力可精确调控电磁线圈三维结构

图2 电磁线圈与阀体组成的系统图

图3 简化的电磁结构系统图

3 系统磁场的分析

空调电磁阀的电磁场有限元模拟由ANSOFT的Maxwell 3D / 2D软件完成[20]。基于电磁线圈和针阀建立具有轴对称特征的系统，该系统求解区在针阀的轴线方向上。综合分析发现，边界处的场量数值较大，对其进行强行截断会产生反射的情况。磁场分析过程中.通过Maxwell2D软件上气球边界功能,使外部区域设定为无限远磁感强度为0的气球边界，此时，磁场与边界不存在垂直或平行的关系。这样能有效避免当系统内磁场量为零时出现错误结果的情况。

在划分系统为单元网格过程中，需要选用合理的划分方式。ANSOFT软件本身自带具有功能强大的2D网格生成器（Manual Mesh），使用该2D网格生成器能对系统进行有效自动分割。该工具具有细化铁芯、针阀、磁轭、电磁线圈及附近区域的网格密度分布，可设置与边界线相匹配的命令，从而完成系统网格的划分，如图5所示。

在使用Maxwell3D / 2D软件的分析和求解过程中，根据磁轭，针阀，漆包线绕组，阀座等组件的实际尺寸进行生成几何模型，并指定所选组件(电磁线圈，磁轭，针阀等)材料的属性，建立无穷远电磁感应强度为零的气球边界条件。

空调冷态开机时，电磁阀线圈冷态，线圈温度为20 ℃。此时，漆包线绕组串联组成电磁线圈，空调制冷与制热工况转换时漆包线绕组激励源为117安·匝。设定电磁力为求解参数，并进行求解分析，得到求解结果如图6，从图中可见阀针靠近电磁阀处磁感应强度、磁力线分布，Y向电磁力FY可准确求解，为FY=21.948 N。

空调长时间工作后，电磁阀线圈保持通电一段时间后，电磁线圈温度会逐渐升高，长期工作后更达到热平衡状态，此时线圈热平衡温度约为100 ℃。此时，由于漆包线绕组热平衡态电阻阻值的变化，线圈激励源变更为61安·匝。设置完求解参数，再次求解结果如图7，从图中可见阀针靠近电磁阀处磁感应强度、磁力线分布，Y向电磁力FY可准确求解，为FY=6.967 9 N。

其中，图7(a)是电磁阀系统的磁感应强度图。由图可知，针阀靠近电磁线圈的磁感应B在空调冷态开机与长时间工作后的最大值分别可达到1.456 T和0.822 T。在电磁线圈接上电源的同时，针阀阀体中产生较强的磁感应强度，对针阀开启的动态特性具有增强作用。图7(b)是电磁阀系统的磁场线分布图，在靠近电磁线圈的针阀铁芯安装位置的磁力线分布密度最大，针阀位置及其附近的磁力线分布密度较小。

使用Maxwell3D/2D进行分析求解获得空调冷态开机与长时间工作后的轴向电磁力分别为21.948 N和6.968 N，大于克服调压弹簧所需要弹力6.0 N分别约16 N和1 N，以此来保证针阀开启的快速响应。另外，根据分析求解的结果，针阀在克服调压弹簧所需要弹力的同时受到3 N和0.2 N的横向力，这可能会使针阀在启动中出现轴心偏移的情况，致使针阀阀体磨损。因此，针阀阀体上部分的材料需要完成表面强化、提高耐磨性的加工工序[20]。

图4 磁轭材料B-H磁化曲线

图5 系统磁感应强度与磁力线分布图

电磁线圈为冷态温度为20 ℃时，组成电磁线圈的串联漆包线绕组为10 000匝时，通过电流从0.000 9到0.017 9 A，本电磁线圈系统输出的驱动电磁力的精确值随电流值变化的曲线（图8）。

其他各个工况的输出电磁驱动力随电流的变化也可类似模拟得到。

图6 冷态开启电磁阀系统内磁感应强度-磁力线分布图

图7 热平衡态电磁阀系统磁感应强度-磁力线分布图

图8 系统电磁力随通过电流变化的趋势曲线

4 结论

利用虚功原理推导了空调器电磁阀针阀开启动作所需电磁力计算方程，定义了电磁力特性计算指标，由Maxwell3D/2D软件分析求解得到空调器不同工作状态下的电磁阀系统磁感应强度与磁力线分布图及电磁力计算结果。随着工作电流的增大，铁芯处的磁感应强度更趋均匀，越靠近铁芯外表位置时，磁力线分布越密集，靠近电磁线圈的针阀铁芯安装位置的磁力线分布最密，轴方向位移和启阀驱动力的快速增大。

本文分析了电磁线圈匝数、针阀材料、磁轭材料等结构参数和材料选型，对空调器不同工况下电磁阀驱动力的影响，得到了不同工作状态对电磁阀驱动能力的性能曲线，能够让针阀在开启瞬间得到克服系统高低压力差所需的电磁力，有效地提高了针阀开启的动态特性与响应能力。设计同步考虑了针阀在开启瞬间所受到横向作用力，仿真模型与动态驱动力计算提高了设计效率，为空调器高可靠性的电磁阀针阀表面设计与研究奠定了理论基础。