基于Ansoft的微型气动高压电磁阀动态响应特性仿真分析

引言

电磁阀是利用通电线圈激磁产生的电磁力驱动阀芯运动以完成开启或关闭的阀门，此种阀结构紧凑、尺寸小、重量轻、密封良好、维护简便、可靠性高,是自动控制领域的重要部件。电磁阀的动态响应特性是评估电磁阀性能优劣的关键因素。以往在进行电磁阀设计时，主要依靠经验公式与数值计算来确定电磁阀的各项技术参数，而无法判定这些参数是否合理。

使用AnsoftMaxwell仿真软件瞬态仿真模块，可以准确直观得出电磁阀动态响应曲线。从而分析电磁阀设计是否合理，然后有针对性地进行修正，并确定合适的设计参数，最终通过样件试验进行验证。

1电磁阀的组成及工作原理

高压气动电磁阀阀芯结构原理图如图1所示。

电磁阀不工作（断电）时，弹簧克服气体压力，使右锥阀芯和气嘴接合，将进气口单独隔开；工作（通电）时，电磁阀线圈通电，电磁铁产生电磁力，动铁芯被吸引，带动左、右锥阀芯向左移动，此时，高压气体进入电磁阀，在电磁力和气体压力的共同作用下，右锥阀芯与气嘴分离，进气口与工作口接通。左锥阀芯左端与左阀体接合，关闭大气口，保证输入高压气体由进气口流向电磁阀工作口供给气动系统。电磁阀断电后,锥阀芯在弹簧力作用下恢复初始状态，右锥阀芯与气嘴接合,进气口与工作口气路被隔断，同时左锥阀芯与左阀体分离，工作口与大气口相通，释放工作腔内剩余气体，电磁阀停止工作。

2电磁阀动态响应特性仿真与试验对比

AnsoftMaxwell是世界著名的低频电磁场有限元软件之一，在各个工程电磁领域都得到了广泛的应用。该软件中的瞬态电磁计算可以根据影响电磁特性的因素变化进行实施求解,更贴近实际工作状态，展现出电磁阀工作特性变化。

2.1仿真建模

在电磁阀的仿真建模过程中，要尽可能地简化模型，省去与磁路无关的倒角、圆角、沟槽等。此微型气动高压电磁阀可以简化为轴对称结构，因此，只需要建立半剖面结构即可,这样既能节省资源，又可以保证其计算的准确性。依据上述原则，建立如图2所示的电磁阀2D模型。

图2微型气动高压电磁阀2D模型及网格划分图

2.2网格划分

有限元的基本方法是把复杂的场空间看成有限分单元组成的整体，然后分析每个单元，得出单元的方程式，在此基础上综合所有的单元建立系统的联立方程组。

AnsoftMaxwell瞬态求解器中有自适应网格生成器，可以生成满足精度要求且疏密分布较为合理的网格。电磁阀模型及网格划分如图2所示。

某型电磁阀相关参数要求如表1所示。

在利用AnsoftMaxwell进行电磁仿真的过程中主要有以2.3参数设置下几步:

（1）设置电磁阀运动体以及参数。运动体设置为电磁阀衔铁，其中衔铁重量为0.005kg,运动过程中受力为F=-3.57X103Xposition-10.3,阻尼为10N•s/m；

（2）设置边界条件为狄里克莱VectorPotential）边界条件；

（3）设置激励源。选中线圈，添加开启50ms/关闭50ms,电压值为28V的脉冲，设置线圈电阻为34Q,漏感为0.03H。2.4仿真结果与试验数据对比

2.4.1仿真结果

电磁力、弹簧力和电流变化曲线见图3。

图3电磁力、弹簧力和电流变化曲线

2.4.2试验数据

在电磁阀试验过程中，分别选择不同的开启电压进行试验，并通过示波器电磁阀响应过程中的电压、电流以及开启释放时间等参数进行检测记录。试验数据如表2所示。

2.4.3对比分析

电磁阀开启过程中，Ansoft电磁仿真输入电压为28V，开启时间为24±2ms，电流为0.8+0.02A；对比表3中的试验数据可看到，开启电压为28.1V时，三次试验的开启时间平均值为24.6ms，电流为0.63A。通过对上述三项数据对比分析可知，利用Ansoft电磁仿真软件仿真结果和实际试验结果相吻合。

电磁阀关闭过程中，软件仿真所得的响应时间约为150ms，而试验测量数据平均值为183.5ms，此响应过程受电磁阀的维持电压、工作气隙以及衔铁运动过程中产生的感应电动势等因素影响较大，可以通过改进设计电磁阀的结构形式或者通过后期工程控制来降低此响应时间。

3结语

通过对比电磁阀的仿真结果、试验数据以及设计计算值可知，在电磁阀启闭过程中，由于衔铁移动，线圈产生自感电动势，使得电磁力产生变化。电磁阀开瞬间，电磁力受自感电动势影响，电磁力会响应减小；关闭过程中，自感电动势平衡弹簧回弹力，使得电磁阀关闭响应时间延长。

通过分析闭合过程的影响因素，可以采用如下两种方法消除电磁阀启、闭过程中的不利因素：

（1）电磁阀采用高低压工作的形式。开启时，采用高电压（28V），完成开启，然后改用低电压维持。这样不仅可以减少电磁阀闭合过程中自感电动势的影响同时还可以降低电磁阀线圈温升。

（2）在电磁阀控制过程中，可以通过增加二级管等电子元件来控制电磁阀闭合过程中的自感电动势，从而减少电磁阀闭合响应时间。

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