螺纹插装电磁换向阀电磁铁磁路分析与设计研究*

2021-08-06张鹏鹏朱玉田

机电工程 2021年7期

刘钊,张鹏鹏,陆亮,朱玉田

(同济大学机械与能源工程学院,上海 201804)

0 引言

螺纹插装阀是继管式、板式、叠加式、二通插装式后出现的第5种连接方式的阀[1],在中小流量的工程机械中应用广泛[2]。20世纪末期,结合电磁控制与插装技术的螺纹插装电磁阀得到了快速发展。其中,电磁铁是其重要部件[3,4],电磁铁的结构形式和设计参数对其工作性能有很大的影响[5]。在有关于该领域的相关研究中,国外对电磁阀及电磁铁研究的时间较长[6,7],而我国起步较晚,并且国内的研究主要集中在以宁波海宏为代表的液压企业,以及以浙江大学为代表的大学或研究机构[8]。

国内外有很多关于电磁阀中电磁铁的研究。李威[9]采用理论分析、有限元仿真、实验研究等方法,研究分析了影响耐压高速开关电磁铁的关键结构参数。杜金凤[10]使用AnsoftMaxwell软件对螺纹插装电磁换向阀的电磁铁进行了有限元仿真,对吸力的仿真结果表明所设计的电磁铁可以可靠地完成液压阀的开启和关闭。王旭平等[11]采用数学模型和有限元仿真模型分析了电磁铁主副绕组的电磁特性,对于研究无位移传感器检测动铁位置具有一定的理论意义。祝聪等[12]基于电磁场理论和Maxwell仿真软件,分析了螺管式电磁铁的静态吸力特性和动态吸合过程,并进行了实验验证,证明动态吸合过程中吸力的稳定值与静态相同气隙条件下是相等的。LIU Q等[13]通过实验和数值方法分析了直动式电磁阀的电磁力,并优化了电磁阀结构。SUN Z Y等[14]研究了电磁阀中的电磁能量转换,并研究了驱动电流和磁路中的基本结构参数对静态电磁力的影响。WANG L等[15]采用数值模拟的方法，研究了铁芯截面积和安培匝数对静态电磁特性的影响,对铁芯的结构进行了重新设计,以实现其强电磁性能。

尽管有很多学者和研究机构针对电磁铁结构参数的影响做了有限元仿真分析,但并没有进行比较全面系统地分析;而且有些仅仅分析了结构参数对电磁铁初始吸力的影响[16]13。为了满足我国对电磁阀性能更高的要求,迫切需要更多地研究电磁铁的结构参数对性能的影响。

本文基于Maxwell电磁有限元仿真分析模型,以某一螺纹插装电磁换向阀为研究对象,研究线圈外壳厚度、断磁厚度、衔铁吸合锥角和隔磁环等结构参数对电磁铁吸力特性的影响,并且分析不同结构对电磁铁行程力曲线的影响。

1 开关阀电磁场有限元模型

1.1 有限元模型建立

基于国外某型号二位三通螺纹插装电磁换向阀,笔者设计出一种新的开关电磁阀,被分析螺纹插装开关阀的结构及工作原理如图1所示。

图1 被分析螺纹插装开关阀的结构及工作原理图

图1中,电磁铁采用上拉式结构,隔磁环与阀体采用螺纹连接的方式。当电磁铁通电时,处于2—3工作状态,断电时处于2—1工作状态,工作行程为3 mm。

在此处的设计样本中,开关电磁铁组件是关于中心轴对称的结构。该开关电磁铁的详细构造如图2所示。

图2 被分析开关电磁铁详细构造1—挡铁;2—衔铁;3—阀芯;4—阀体;5—隔磁环;6,7,8—线圈外壳;9—线圈

图2中,十字网格填充部分是线圈,材料为铜;斜线填充部分是导磁材料,型号为steel-1010;无填充部分是隔磁环,材料为不导磁材料12l14,可以看作是空气。

为便于计算和针对性仿真,笔者将电磁铁结构组件进行简化,如图3所示。

图3 电磁铁简化分析

图3(a)为仿真分析简化结构模型,其中的封闭线为磁回路。图3(b)将磁路与电路类比,得出简化分析的类比电路,满足磁路欧姆定律[16]24,即:

NI=Ø·∑R

(1)

式中:NI—线圈安匝数,A;Ø—磁回路磁通量,Wb;R—磁阻,H-1。

1.2 仿真参数及设置

由于电磁铁组件为中心轴对称结构,可用ANSYS Maxwell的二维磁场进行分析。Maxwell的二维静态磁场求解原理满足的方程为[17]:

B=▽×A=μH=u0urH

(2)

(3)

式中:B—磁感应强度,Wb/m2或T;A—矢量磁位,Wb/m;μ—介质的磁导率,H/m;μ0—真空磁导率,H/m;ur—相对磁导率;H—磁场强度,A/m;AZ—关于Z轴对称结构的矢量磁位,Wb/m;Jz—传导电流密度矢量,A/m2。

此处Maxwell运用有限元方法,根据式(2,3)即可求得磁感应强度、磁场强度、矢量磁位的分布。用磁感应强度B可求得衔铁所受到的吸力大小,求解吸力的麦克斯韦方程如下:

(4)

式中:F—衔铁吸力,N;B—工作气隙处磁感应强度,T;S—磁路截面积,m2。

笔者运用Maxwell仿真分析电磁铁吸力特性,需先导入仿真分析模型,设置为关于Z轴对称;然后从材料库中进行选择,并设置各部分材料,接着设置边界条件为关于Z轴对称结构专属的气球边界条件;同时设置激励及线圈安匝数,最后划分网格,并进行检验和求解。

2 电磁铁吸合力特性分析与改进

在电磁铁组件中,线圈外壳厚度、断磁厚度、衔铁吸合锥角和隔磁环都会影响电磁铁吸力特性。根据图3(b)的磁路类比电路,线圈外壳厚度影响铁磁磁阻的大小,断磁厚度影响断磁磁阻的大小,衔铁端部吸合面锥角影响气隙磁阻的大小,隔磁环影响漏磁磁阻的大小。

2.1 线圈外壳厚度的影响与改进

线圈外壳厚度影响铁磁磁阻的大小,轴向外壳厚度和径向外壳厚度是影响电磁铁吸力特性的结构参数。

线圈外壳厚度分析模型及仿真结果如图4所示。

图4 线圈外壳厚度分析模型及仿真结果

由图4(c,d)可知:轴向和径向外壳厚度对吸力的影响曲线的拐点均在1 mm附近,当轴向和径向外壳厚度大于1 mm时,外壳厚度对最大工作气隙时的吸力影响很小。因此，在外壳尽可能轻的情况下,要保证其最薄处的厚度要大于1 mm,否则会使电磁力有明显的减小。

2.2 断磁厚度的影响与改进

在电磁阀的实际设计中,也有衔铁外壳为完全不导磁材料的情况,在满足换向力大小的前提下,便于阀体整体的制造加工。此处将外壳为完全不导磁材料的情况称为断磁。

断磁仿真分析模型如图5所示。

图5 断磁仿真分析模型

断磁厚度影响断磁磁阻的大小,从而影响电磁铁吸力特性。进行仿真分析时,将断磁厚度从0～3 mm每隔0.5 mm取一个值。

不同断磁厚度下的行程-吸力曲线如图6所示。

图6 不同断磁厚度的行程-吸力曲线

由图6可知:当工作气隙较小时,断磁厚度对吸力的影响很小;当工作气隙较大时,断磁厚度对吸力的影响较大,这是由于磁感应强度的变化导致各部分磁阻的大小关系发生变化。

根据磁场原理及磁性材料特性分析可知:工作气隙较小时,气隙附近的磁感应强度很大,最大超过2 T,导磁材料达到磁饱和状态,此时铁磁材料的磁导率会减小许多,铁磁磁阻急剧增大,甚至超过断磁磁阻大小,从而使断磁磁阻的影响较小;工作气隙较大时,气隙附近的磁感应强度很小,例如工作气隙为3 mm时仅为0.7 T左右,此时铁磁磁阻较小,断磁磁阻和气隙磁阻大小相当,都比铁磁磁阻大很多,从而使断磁磁阻对电磁吸力的影响比较大。

因此,若衔铁外壳为完全不导磁材料,要根据最大工作气隙选择不导磁材料厚度—断磁厚度,断磁厚度超过最大工作气隙,吸力会减小50%以上。故断磁厚度要尽可能地小于最大工作气隙,而且越小越好。