基于Maxwell的电磁阀衔铁受力特性深度剖析

摘    要：

气动控制阀因其结构简单、成本低等优点，在航空航天领域中具有重要应用。为了研究气动控制阀中异性隔磁机构最优位置，介绍了液体导弹发动机油箱用电磁阀的结构及工作原理，利用电磁场有限元分析软件Maxwell建立电磁阀二维仿真模型，对电磁阀中一体化异型隔磁结构在不同位置的模型进行了仿真计算，得到了衔铁在全行程下的电磁力特性曲线。通过曲线可以看到此异性隔磁机构在线圈中间偏下一点的位置时，受到的电磁力随着阀芯开度的变化较为稳定，且线圈受到的电流激励越大，衔铁所受电磁力越大。搭建了试验平台，进一步验证了仿真分析的准确性，研究结论可为气动控制阀的设计提供参考。

关键词：电磁阀;衔铁;力特性;分析;

0 引言

近年来，随着电子技术、计算机控制技术的迅速发展以及高速开关阀、极端环境条件下传感器技术的改进优化，气动控制阀技术得到了快速发展，并且需求量也在大幅增加。因其具有操作简单、价格低、寿命长，制作周期短、动作响应快速等优点，被广泛应用在航空航天、医疗、汽车和仪器等重要领域[1,2,3]。

气动控制阀对于现代液体导弹发动机油箱压力稳定是极其重要的。油箱内压力过高会导致油箱产生形变，严重则会影响油路设施的寿命，并且在打开时也会出现喷油的风险；压力过小则会导致供油减少，降低动力性能，甚至无法正常启动。

本研究所涉及的气动控制电磁阀是在导弹油箱系统中通过实时调节阀芯开度大小来控制油箱内气体压力平衡的一种电磁阀。传统电磁阀在线圈绕组上设有隔磁元件，其作用是保证通电线圈产生的磁路可以穿过阀芯，在阀芯(衔铁)区域产生一定的磁感应强度，从而产生电磁力，驱动阀芯运动。肖咏[4]通过ANSYS Maxwell软件研究了隔磁环形状尺寸以及位置对电磁力的影响。胡燕平[5]利用电磁场分析软件研究了隔磁环和隔磁角对电磁铁电磁力的影响，仿真结果与试验结果相一致。陈亚蒙[6]通过Maxwell软件研究了隔磁环以及隔磁材料对磁场性能的影响。启德新[7]在传统磁路结构中增加了一组隔磁桥，改善了应力分布状态，提高了可靠性。但这种电磁阀的隔磁元件加工比较复杂，需要焊接等复杂工艺，所以为了节省时间和材料，本研究研制的线性控制电磁阀的线圈绕组中并未设置隔磁元件，而是采用了一种工艺性较好的一体化异型隔磁结构，代替了传统隔磁元件，使得磁路穿过衔铁，产生一定电磁力。隔磁一体化异型结构位置的设置，对于电磁阀内衔铁受到的电磁力及其稳定具有一定的影响。

本研究通过Maxwell软件对电磁阀中异性隔磁机构的4个代表性位置进行仿真研究，并对仿真数据进行了曲线拟合，得到隔磁机构的最优位置，使通电磁铁产生的电磁力平稳且均匀。

1 线性控制电磁阀结构及工作原理

气动控制阀结构如图1所示，该阀主要由线圈、阀芯、骨架、阀座和衔铁等组成，还有图中未标出的密封圈和弹簧等。

图1 电磁阀结构示意图

其工作原理为：该电磁阀选用的是电磁铁部件与阀门部件合为一体的螺管式常开电磁阀结构，阀座与阀杆的密封方式为阀座(锥面)-阀杆(球面)密封方式，当阀不通电时，阀杆处于初始位置，阀杆通过弹簧的预压缩力，保持常开状态，当电磁铁通电时，与阀杆保持接触状态的衔铁受到电磁力的作用，克服弹簧力推动阀杆向下运动，当衔铁所受电磁力与工作状态下的气流力+弹簧力相等时，阀杆处于一个相对力平衡的状态，电磁阀内阀芯的开度一定，在工作状态下，通过线性改变通电电流大小，即可实现线性改变阀芯开度，从而达到线性控制阀的阀芯开度“线性可调”的目的。

2 电磁场理论

麦克斯韦方程组是电磁场理论的基础以及重要的分析方法，其通过位移电流以及法拉第电磁感应定律得到的微分形式以及通过高斯定理和斯托克斯公式变换得到的积分形式来描述电场与电磁场建立的关系[8,9,10]。麦克斯韦方程组主要有4个，分别为全电流定律、法拉第电磁感应定律、磁通连续定律和高斯定律[11,12]。

麦克斯韦第一方程的表达形式为：

其积分形式为：

式中， H —— 磁场强度

ᐁ —— 哈密度算子

J —— 传导电流密度

S —— 积分面积

D —— 电通密度

l —— 积分长度

全电流定律表明不仅传导电流能激发磁场，变化的电场也能激发磁场，解释了时变场中的电流连续性。

麦克斯韦第二方程的表达形式为：

其积分形式为：

式中， E —— 电场强度

B —— 磁感应强度

法拉第电磁感应定律表明不仅电荷能够激发电场，而且变化的磁场也能够激发电场。电荷激发无旋电场，而变化磁场激发有旋电场。

麦克斯韦第三方程的表达形式为：

其积分形式为：

磁通连续性定律说明电流和变化的电场激发出的磁场，其磁力线均是无头无尾的闭合曲线。

麦克斯韦第四方程的表达形式为：

其积分形式为：

式中， ρ —— 电荷密度

V —— 积分体积

高斯定律反映了电荷以发散的形式产生电场，而变化磁场产生的电场是涡旋场，是无源场。

麦克斯韦方程组全面总结了电磁场的规律，表明变化的电场和磁场是相互联系、不可分割的统一体，它与洛伦兹力公式一起构成了宏观电磁场的理论基础。

3 Maxwell仿真分析

Ansoft maxwell在磁场方面，静磁场(Magnetostatic)、涡流场(Eddy Current)、瞬态磁场(Transient),和电场方面，静电场(Electrostatic)、直流传导电场(AC Conduction)、瞬态电场(DC Conduction)有着极其强大的分析和处理能力[13]。其仿真结果也与实际情况相似，因此被广泛的应用在工程电磁领域当中。其本质是麦克斯韦方程组，采用的是有限元离散方式，用矩阵的方法求解工程电磁领域中的电磁力、电容和电感等[14]。

3. 1 仿真分析步骤

1) 几何建模

因为此阀为轴对称结构，所以在Maxwell中建模结构取阀的一半，且Maxwell中选择关于Z轴对称(Cylindrical about Z),见图2。

图2 建模结构简图

2) 仿真类型选择

选择2D静磁场模型(Magnetostatic),见图3。

3) 材料属性

为了阀芯更好的受到电磁力的作用，使其产生一定的磁感应强度，需要将衔铁设置为软磁材料，也就是磁滞回线窄、剩磁和矫顽力都很小的材料。通过给定线圈电流激励，使得线圈周围产生电磁场。常见的软磁材料有1J50,DT4、DT4C、Cr17NiTi等，同时，为了保证磁路的闭合，还需要将电磁阀的罩壳与线圈同样设置成软磁材料。本研究涉及的气动线性控制阀骨架、衔铁等材料选为Cr17NiTi, 线圈选为铜， Cr17NiTi的B-H曲线如图4所示。

图3 Maxwell 2D静磁场仿真环境图

图4 电磁阀导磁材料磁化曲线

表1 结构材料

4) 计算边界条件

由于阀上其他非软磁材料的导磁性与空气十分相似，为了减少仿真计算所需要的时间，使仿真结果更贴近实际，选择气球边界条件，即磁场无穷远处为0,边界扩充百分之20,见图5。

5) 激励添加

给模型中线圈加入电流、电压及安匝数(电流与线圈匝数的乘积)等激励。

图5 气球边界

6) 求解域确定

求解域就是模型的计算区域，即在多大范围内求解模型的场强。本研究求解域设置为衔铁部分。

7) 后处理

等设置完模型，仿真结束后，可以查看磁力线分布图、磁力和力矩等。

3. 2 仿真结果

为了研究隔磁凸台在何位置能使衔铁受力最均匀，设置了4个代表性位置如图6所示。

图6 隔磁机构不同位置

4个不同位置衔铁所受的电磁力随着阀芯开度以及不同电流大小变化的仿真结果如图7～图10所示，其中横坐标表示阀芯的开度(范围为0～4 mm),纵坐标表示衔铁所受到的电磁力大小，不同颜色的线从下到上表示的电流大小分别为0,0.1,0.2,0.3,0.4和0.5 A。

图7 隔磁机构在a位置时衔铁受到的电磁力与阀芯开度的关系

图8 隔磁机构在b位置时衔铁受到的电磁力与阀芯开度的关系

图9 隔磁机构在c位置时衔铁受到的电磁力与阀芯开度的关系

图10 隔磁机构在d位置时衔铁受到的电磁力与阀芯开度的关系  

由图7～图10仿真结果可以清楚的看出，隔磁机构在c位置，也就是线圈中间偏下的位置时，衔铁受到的电磁力随阀芯开度的变化较为平稳且均匀。

根据仿真得到电磁阀的磁场强度图以及磁力线分布如图11和图12所示，可以看出：离线圈越近的地方颜色越深，磁力越大，磁场强度越强，磁力线主要集中在线圈附近，与磁场强度云图规律基本相同，由于电流的激励，线圈附近产生较大的电磁力，磁力线密集且均匀；通过仿真结果以及一系列的分析，说明仿真结果符合电磁铁的工作原理，也符合电磁铁的工作特性，综上，仿真结果较切合实际。

图11 磁场强度云图

图12 磁力线分布图

4 试验验证

气动控制阀的弹用油箱智能增压试验系统如图13所示，试验测试系统以气动控制阀为中心，主要参与试验测试的配套组合由高压氮气瓶、手调减压器、截止阀、压力表、24 V直流稳压电源、压力传感器、便携式计算机、弹用油箱环境模拟水箱及变频泵等组成。

图13 气动控制阀试验原理图

气瓶打开后，通过调节手调减压器可以调节气动控制阀的入口压力大小，通过计算机给气动控制阀压力指令，进行试验系统中水箱气腔压力的无级调节，通过连接两水箱的变频泵实现阀流量的变化，增加试验条件的严苛性。

4. 1 气动控制阀压力跟随静态特性

试验元器件连接好后，首先进行气动控制阀压力跟随静态特性试验。将变频泵流量设置为0.5 kg/s, 指令压力设定为0.13 MPa, 用便携式计算机采集气腔内的压力与指令跟随情况，如图14所示。

图14 气动控制阀压力跟随特性

如图14中，1代表反馈压力，2代表指令压力，可以看到，反馈压力对于指令压力跟随特性良好，随时间及气腔内的压力略微波动。

4. 2 变流量时气动控制阀压力跟随特性

本次试验为在入口压力恒定的条件下，出口流量随着时间的变化在0.5～1.6 kg/s范围内逐渐增加，反馈压力对于指令信号的跟随特性，如图15所示，反馈压力(曲线1)对于指令压力(曲线2)追随良好，随时间变化略微波动，跟随特性完好。

4. 3 变压力时弹用线性控制阀压力跟随特性

本次试验为在变频泵流量控制在0.6 kg/s时，气动控制阀入口压力随时间变化在0.6～2.4 MPa范围内扰动的条件下，反馈压力对于指令压力的跟随情况，如图16可以看出，跟随特性良好。

图15 变流量时气动控制阀压力跟随特性  

图16 变入口压力时气动控制阀压力跟随特性

5 结论

本研究对传统电磁阀的隔磁元件进行改进，选用了一种一体化异型隔磁结构，通过Maxwell电磁分析软件对线性控制电磁阀磁场进行仿真分析，分析了隔磁凸台不同位置时衔铁所受的电磁力大小及线圈在不同电流激励下和阀芯不同开度下的电磁力特性曲线，并通过试验验证了其仿真准确性。得到以下结论：

1) 隔磁凸台在线圈中间偏下位置时，电磁阀受到的电磁力在全行程下相对稳定；

2) 线圈所给的电流激励越大，衔铁所受的电磁力越大。可以为设计人员更好的研制线性控制电磁阀提供设计思路。

本研究只研究了异性隔磁凸台的位置对电磁力的影响，今后还可以从隔磁凸台的形状、大小等因素来开展相关工作。

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