直动式电磁活门的设计与仿真

潘 昆

（西北工业大学机电学院现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安 710072）

电磁阀是一种电磁控制的工业设备，用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器的组成部分[1-2]。文章基于Maxwell电磁力仿真计算、ANSYS Workbench强度仿真、模态仿真和随机振动仿真等，从执行机构到防腐蚀设计研究直动式电磁阀的设计方法。

1 电磁活门结构与工作原理

电磁活门结构，如图1所示。

图1 电磁活门结构图

产品接到发动机启动信号后接通电路，电磁铁线圈通电产生电磁力，推动衔铁带动活门克服弹簧的弹簧力和O形圈的摩擦力向下运动，切断管路中的引气。当产品断电时，活门借助弹簧的弹力推动衔铁带动活门克服O形圈的摩擦力向上运动，活门打开。

2 电磁铁设计计算与电磁力校核

文章采用洛伦兹法计算电磁力。电磁力在开启的过程中需克服17 N的总反力。

2.1 电磁铁设计计算

电磁铁是一种通电产生电磁力的装置，通过磁力推动阀体，从而达到阀门的开启和关闭。

2.1.1 确定线圈厚度和平均直径

线圈厚度为[3]

式中：∆为线圈骨架及绝缘厚度，取1 mm；D为线圈壳体内径，取28 mm；dc为骨架外径，取15 mm。

根据式（1）可得，bk=5.5 mm。

线圈平均直径为

代入数据可得，DCP=22.5 mm。

2.1.2 确定导线直径

导线直径为

式中：DCP为线圈平均直径；ρ为铜导线的电阻率，约为0.017 5 Ω·mm2·m-1；IW为安匝数；U为线圈两端的电压。

代入数据可得，d=0.213 mm。查询《漆包圆绕组线 第6部分：220级聚酰亚胺漆包铜圆线》（GB/T 6109.6—2008），取相近的规格d=0.224 mm，外径为0.266 mm，电阻为0.433 8 Ω·m-1。

2.1.3 确定线圈匝数

线圈匝数为

式中：J为电流密度。该产品工作方式为反复短时工作制，J应取5～12，此处取J=10。代入数据，可得W=1 305。

2.1.4 确定线圈高度

线圈高度为[4]

式中：W为线圈匝数；d为导线直径；fk为线圈填充系数，手工绕线取0.65。代入数据，可得lk=26.8 mm，取27 mm。

通过计算，得到电磁铁的设计参数，如表1所示。

表1 电磁铁设计参数

2.2 电磁力校核

2.2.1 在最低启动电压下校核电磁力

气隙的磁通量为[5]

式中：δ为衔铁行程；μ0为空气磁导率；IW取915.7安匝。

电磁力为

式中：α为修正系数，取4；S为磁芯面积。

结合式（6）和式（7），可得F=35.3 N，大于总反力17 N，满足设计要求。

2.2.2 基于Ansoft Maxwell软件校核电磁力

Ansoft Maxwell作为著名的商用低频电磁软件，在各个工程领域和参数优化方面得到广泛应用。

在本模型中，首先添加空气域将产品包裹。其次，将动静铁芯和线圈盒设置为导磁材料1J22，外壳体、线圈架及导线等非导磁体设置为铝合金材质。最后，提取线圈中面，添加激励0.7 A。经电磁仿真分析，电磁铁的磁感应强度分布，如图2所示。常温下的电磁力为32.2 N，大于总反力17 N，满足设计要求。

图2 磁感应强度分布图

3 电磁活门强度仿真与动力学分析

3.1 强度仿真

通过ANSYS Workbench 软件对电磁活门进行网格划分，共得到386 319个节点，179 279个单元。对其管嘴施加约束，计算产品最大压力下的变形量，如图3所示。最大变形处为活门组件，变形量为8.064 2×10-4mm，数值较小，能够满足强度要求。

图3 总体变形图

3.2 动力学分析

动力学分析就是分析机构在动载荷作用下的运动情况。文章的模态分析设定为前6阶，求得电磁活门的前6阶固有频率，如图4所示。

图4 各阶模态频率表

在分析模态的基础上，对电磁活门施加飞机中后机身区频率振动谱，分析产品在此频率作用下的X、Y、Z方向的振动位移，如图5～图7所示。

图5 X轴方向位移图

图6 Y轴方向位移图

图7 Z轴方向位移图

由图5～图7可知：电磁活门在X轴方向的最大位移为10.573 0×10-5mm；在Y轴方向的最大位移为5.856 8×10-6mm；在Z轴方向的最大位移为6.920 2×10-5mm。可见，电磁活门的振动位移较小，能够满足振动要求。

4 结语

对电磁活门进行密封结构设计可以避免湿空气进入电磁壳体。利用Maxwell软件校核产品的电磁力和电磁铁的设计计算。经过计算可知，产品的电磁力可以满足活门运动力的要求。该计算方法和仿真分析对后续电磁活门的设计具有借鉴意义。基于ANSYS Workbench软件对电磁活门进行静力学分析、模态分析和随机振动分析，结果表明，产品振动条件下的变形量较小，能够满足设计要求。