一种高速开关阀的结构设计与磁场仿真分析研究

2021-08-20任小勇甄亮

甘肃科技纵横 2021年6期

任小勇甄亮

摘要：根据系统运行特点及场景应用需求开发出了一套性能稳定、操作便捷的高速开关阀，并通过计算与分析确定出了CMM棒长度，根据开关阀运行要求计算出了最佳线圈量。为全面了解、准确掌握GMA磁场分布情况，选用仿真软件进行了实验研究，通过结果分析进一步发现，只有合理控制磁导率，才能确保磁场科学分布，而且当磁导率差值达到最小时可保证磁场效用得以全面发挥。气隙宽度也会影响磁场分布，现有研究明确证实，磁场会在宽度为0.4mm时达到最理想分布状态。

关键词：高速开关阀;结构设计;磁场仿真;分析研究

中图分类号：TH4 文献标识码：A 文章编号：

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引言

磁致伸缩材料作为几种重要的功能材料之一，因其独特的性能而越来越受到国内外学者的关注。铁磁材料在磁场作用下的小变形现象称为磁致伸缩，所以业界人士将这类材料统一定义为磁致伸缩材料。出于特性方面的考虑，将采用这种材料来研发高速开关阀，并通过磁场调整获得相应的收缩量（一般会达到几十微米），从而控制出口机构的力和位移。为了增加（超磁致伸缩执行器）的输出位移，设计相应的微位移放大器装置，由于独特的性能优势，的各方面表现都明显优于一般转换器。.

1.高速开关阀的整体结构

在现实场景中，人们习惯采用微位移放大机构来增加棒的輸出位移，但却忽略了它的弊端与不足，因为棒的输出同时受多方面因素干扰与影响，使用微位移放大机构会使棒的输出产生明显误差，也就很难获得高可靠、高精准的输出值。对此，经多方面考虑与分析后，决定在本设计中采用一种新型的多通流面阀芯结构来补偿棒出口位移不足的问题。

2.高速开关阀用GMA结构设计

通过上图分析进一步了解到，结构相对复杂，主要由导磁块、线圈、杆等相关构件组成。通过运行原理研究发现：在开关阀正常运行的情况下，利用线圈生成磁场可使棒长度增加，而阀芯则在预压缩杆作用发生移位，在此情况下，只需根据要求对预压力做出相应调整，就能获得超预期的磁致伸缩率。冷却腔里放水来控制GMM棒的温度。

2.1GMM棒设计

棒设计的关键是根据场景要求确定出科学且合理的运行参数，也就是直径和长度这两项基本参数。其中，直径选取主要以输出力为依据，而长度则取决于工作位移。另外，在本研究中，选用材料来制备GMM棒。图3为当预压力为10MPa时GMM杆的λ-H曲线。

从图3可以看出，磁致伸缩率随着磁场强度的增加而非线性地变化。从点A开始曲线后，磁致伸缩随磁场强度的增加而变化很小，如果继续得到更高磁致伸缩率，就需要更大的磁场强度，又因为磁场强度的与励磁电流的大小成正比，过大电流将导致GMM棒的温度升高过高，这很难控制。因此，本文中工作磁场的最

大强度选择为40KA/m。尽管此时的磁场强度在合理范围之内，但磁致伸缩率却比较大，达到了。

可以看出，从0到A点的λ-H曲线不是完全线性的，但是由于高速开关阀大部分时间都在开关状态下工作，因此λ-H曲线的非线性对阀的影响很小，并且可以通过控制器设计来补偿λ-H曲线的非线性。由于在本研究中采用的阀芯行程，因此将此参数套入下式便可完成磁致伸缩率计算，即：

则GMM棒的长度：

上式參数详解：—，—，—，—，—，经多方面考虑与分析后决定在本研究中取值。

由于在拉伸过程中其自身材料的弹性回复力，GMM棒的出口力逐渐减小。

并在零点位置达到了最大值，但由于磁致伸缩的原因，输出力会快速降为零，具体如下：

（3）

在的条件下，利用下式可直接确定出输出力，即：

（5）

上式参数详解：—，—，—，—，—，—，—。

當GMA工作时，GMM棒的输出力必须克服三种李，分别是阀芯与阀套之

间的摩擦力，预压弹簧的力以及复位弹簧的力。

因此GMM最小输出力符合以下公式：

（6）

上式参数详解：—，—，—，

出于设计要求方面的考虑，在行程下，阀芯响应时间需控制在以内，则由式

还需满足：

上式参数详解：—，—，—，

由式3、5、6可得：

所以，棒的最小输出力和横截面积达到了设计要求。在前面已明确提到，只有将阀芯响应时间控制在以内，才能满足设计要求。需要复位弹簧的力

满足下式要求：

（10）

帶入（），适当扩大值以忽略影响，值为25N。从以上所述，选用的棒，在输出力降到最低且阀芯行程为的工况下，将获得的参数套入公式中进行求解，由于预压为，输出力为，预压缩为，因此通过计算得到预压弹簧的刚度为20N/mm。

2.2线圈设计

线圈设计是不容忽视的一个重要环节，原因在于它不仅会对磁场强度产生直接影响，还关系到自身的功率损耗，而且功率损耗与热量存在明显的线性关联。一般情况下，只要热量升高，棒的温度也会相应走高，所以要科学、合理选择线圈尺寸，以降低损耗、增大强度。在现实场景下，要想杆磁场保持理想分布，就要确保线圈的长度应略长于GMM棒的长度，但这样一来就容易使整体尺寸变大。图4示出了线圈绕组的示意图。其中，线圈长度设置为，明显比GMM棒尺寸大。

多层线圈在中心轴方向上任意点的磁感应强度和功率损耗的公式为：

其中：—，—，—，—，—，—，—，—，—，—，—（圓形取，方形取1），，

從等式11可以看出，磁感应强度越低，磁场强度就越高，但是由于此项在GMM棒附近具有冷却腔以控制棒的温度上升GMM以及GMA的总体规模有限。本文中取20mm。根据功率损耗公式12和13，线圈的外径具有最佳值，但是考虑到线圈的电阻和电感对高压开关阀的响应速度具有非常重要的影响。设计过程中考虑阀门的响应速度，值取为32毫米。由式11和式，得到中轴线中心的磁场强度获得中心轴中心处的磁场强度

在上面已明确提到，本设计的棒磁场强度为，因此套入公式经计算得知：。在线圈匝数为且励磁电流为的工况下，线圈J中的电流密度最高达到了。值得一提是，利用水冷却装置还能使电流密度有所提高。在本文档中，已明确要求电流密度为。所以只需将此参数套入下式便可确定出线圈直径，即：

（15）

式中：—缠绕系数取1.1，—线圈匝数

结果显示直径为毫米。因此在本设计中选用此规格的线圈。其中裸线直径为0.71mm。而且线圈直径必须满足以下

公式，参数必须符合要求。

（16）

利用下式分别求出电阻和电感，即：

（17）

（18）

其中：—，—，—，—，—;经计算得知，这两项参数的值分别为和。

3 高速开关阀用GMA磁场仿真分析

电磁场数值分析的基础是麦克斯韦方程，该方程描述了所有宏观电磁现象。在本设计中，选用先进、成熟的软件进行磁场仿真，由于励磁电流是典型的直流模式，而且为轴对称并受信号控制。所以，经多方面考虑与分析后决定采用二维静磁场轴对称求解器，并基于“气球”边界下构建模型。具体可详见下述图表：

3.1磁块的相对磁导率对GMM棒的磁场分布的影响

通过下图曲线变化分析进一步了解到，棒中的磁场强度分布严重不合理，最高部分达到了，而最小部分僅为46.44272KA/m，相差23.29536。由于GMM棒的磁导率较低且较差，因此磁场强度显示出两端较大而中间较小的现象。从GMM棒的λ-H曲线看出，磁场强度直接影响GMM棒的伸缩率。 GMM棒中磁场的不均匀分布影响GMA的输出精度降低，

因此必须采取相应措施使GMM棒的磁场均匀。

经过分析和比较，认为使用低磁导率磁体来改善磁场的不均匀性是最可行的解决方案，并且导磁块的相对磁导率与GMM棒相对磁导率相同时，改善效果最佳。

根据设计要求，棒的相对磁导率设置为。通过上图7曲线变化分析可进一步发现，基于磁导率为的工况下，轴向磁场分布相对比较合理，而且强度之差仅为1.57。可以看出，差异已经大大减小，并且GMM棒的轴向磁场不均匀分布范围也在相应减小。但是随着磁导率的不断增大，轴向磁场的不均匀分布现象也愈发严重，尽管降低磁导率会弱化磁场强度，但是减小幅度很小。一般会控制在3KA/m以内。

从图8可以看出，棒的径向磁场强度分布不理想，由于棒沿轴向移动，因此径向磁场的不规则性的影响很小。在轴向运行中，它主要影响的是体

积变形。与GMM棒的轴向范围相比，径向体积变化现象非常小，因此径向磁场强度的大小和不规则性可以忽略对GMM棒的轴向影响。

通过上图9 曲线变化分析进一步了解到，如果导磁块具有很大的磁导率，并且棒的磁导率相对较低，那么就会出现磁场强度小于中间部分的现象，反之亦然。通过下表2数据分析可发现，基于这一工况下，杆的磁场分布不均匀达到了最小，随着差值的不断增大，棒的磁场分布不合理现象可得到显著改善。

导磁块与GMM磁棒的相对磁导率时相等时，磁棒的磁场分布达到了最理想状态。究其根源在于：它们拥有一致的相对磁导率，而且相连能增加棒长度，但要注意一点导磁块两端不存在磁致伸缩，通过曲线变化分析也能直接发现，棒中的磁场强度分布一直处于理想状态，原因是导磁块对不规则部分起到了补充作用，但不支持磁致伸缩。这样就改善了GMM棒的磁场的不均匀性。

3.2气隙宽度对GMM棒磁场分布的影响

通过图10曲线变化分析可以看出，棒上的磁场强度与气隙宽度存在明显的线性关联，只要气隙宽度发生改变，磁场强度必然也会随之发生改变，不过变化幅度相对比较小。不仅如此，通过深入分析还进一步发现，棒的軸向磁场强度与气隙宽度也存在明显的线性关联。结合上表数据分析进一步发现，，磁场会在宽度为时达到最理想分布状态，即强度差值会减到最小。另外，基于这一工况下，棒的磁场强度差值降到了，而气隙宽度则达到了。由此可以判定，可通过调整气隙宽度的方式来改善轴向磁场分布。

通过上图11～12曲线变化分析可进一步发现，在气隙宽度不断增大的情况下，棒端部和中部的径向磁场强度也会相应增大，而且只要宽度控制在以内，棒中部徑向磁场分布就会一直处于最佳状态。因此，经多方面考虑与分析后，笔者决定采用的气隙宽度。

3.3壳体的相对磁导率变化对GMM棒磁场分布的影响

通过上图分析进一步发现，在达到一定水平后，相对磁导率的增加对GMM棒的轴向磁场分布影响很小;但相对磁导率高出1后，就会对磁场分布变化产生至关重要的影响。

通过下图曲线变化分析进一步了解到，在壳体相对磁导率为1的工况下，磁场分布严重不合理，而且棒上磁场强度也降到了最低，也就说明此时的壳体与空气无任何差别，不仅不能形成有效回路，反而生成了磁场回路。另外，在壳体相对磁导不断增大的情况下，棒中的磁场强度也会显著增大。究其原因在于相对磁导率越高，漏磁就越小，进而能达到改善磁场强度的效果。

不仅如此，通过下图曲线变化分析还进一步发现，尽管相对磁导率不断增大，但磁场强度变化却不是很明显。结合上图分析可知，只要相对不低于，磁场强度的变化影响就越小，甚至不会产生任何影响，因此在现实场景中会直接选择忽略不计。

3.4外部磁炉的磁导率变化对GMM棒的磁场分布的影响分析图

对外部磁路的框架结构进行深入研究后发现，它主要由壳体、微调螺塞等相关构件组成，基于棒和导磁块连接生成闭合磁路。通过上图曲线变化及下表数据分析进一步了解到，相对磁导率增加会对棒中磁场强度变化产生直接影响，究其原因在于磁导率越高，漏磁就越小。另外，当磁导率分别为和时，对生成的磁场强度值进行对比，结果发现它们之间的差异很小，不过磁场的不均匀性进一步升级。所以，对于棒来说，并非越高的相对磁导率达到的效果就越理想。笔者通过表4数据全面分析得出以下结论：外部磁路的相对磁导率与棒轴向磁场强度存在显著的线性关联，只要前者增大，后者必然也会相应增大，但磁场均匀度具有先小后大的特点，而且在时，它们的差值会降到最小。通过下图16曲线变化分析进一步发现，只要相对磁导率增大，磁场强度值必然也会相应增大。

3.5冷却套筒和线圈骨架的磁导率变化对GMM棒磁场分布影响的分析图

通过上图曲线变化分析可进一步发现，在磁导率不断增大的情况下，磁场强度会相应减弱，但磁场不均匀度的差值则会进一步提高。究其原因在于持续增大的磁导率会使磁力线方向发生改变，关键是磁力线会提前通过高磁导率部分，也就出现了磁场强度减弱的现象。而在磁导率达到一定值时，通过的磁力線只是漏磁部分。另外，在这一工况下，磁场强度则降到了最低。因此，取冷却套和线圈骨架的相对磁导率为1，优先让磁力线通过棒，再连接成为闭合磁路，以达到显著改善磁场强度的目的。

4.结论

在本研究中，基于结构开发了一套性能稳定且操作便捷的高速开关，通过一系列计算与分析确定出了棒长度，并根据开关阀运行要求计算出了最佳线圈量。为全面了解、准确掌握各参数对棒轴向磁场分布影响，选用当前备受业界人士推崇与青睐的软件进行仿真分析，结果显示，导磁块的值越低，磁场分布就越理想;将气隙宽度控制在左右，才能实现磁场均匀分布，而对于外部磁路来说，只有在这一工况下，才能取得较为理想的分布效果。