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        車用電磁閥有限元分析

        2014-02-10 05:30:30中北大學機械與動力工程學院任海濤張翼
        河北農(nóng)機 2014年10期
        關鍵詞:磁導率匝數(shù)電磁力

        中北大學機械與動力工程學院 任海濤 張翼

        1 引言

        為確定該企業(yè)的電控液壓閥的電壓閥能夠正常工作,本文對電磁閥的電磁場進行了有限元分析計算,得到電磁力,驗證其合理性,同時分析了工作氣隙和安匝數(shù)對電磁力大小的影響。

        2 電磁閥的結構和工作原理

        該電磁閥主要由殼體、復位彈簧、線圈、線圈架、隔磁環(huán)、動鐵芯和定鐵芯組成。(如圖2.1所示)

        圖2.1 電磁閥結構圖

        該電磁閥工作原理為:通過電磁力和彈簧的復位力驅(qū)動動鐵芯,并帶動推桿移動,以達到閥的開啟與閉合。在給線圈施加電流之前,在彈簧作用下,動鐵芯與定鐵芯處于分離狀態(tài),動鐵芯下端推桿的球閥與閥座緊密結合,使閥處于關閉狀態(tài);給線圈施加電流后,隨著電流逐漸增加,磁場增強,定鐵芯對動鐵芯的電磁力逐漸增大,直到克服彈簧作用力和摩擦力,開始帶動動鐵芯向上運動,閥即被打開。

        3 電磁閥有限元分析

        3.1 電磁閥有限元模型

        本文中將電磁閥簡化為軸對稱模型,對其進行計算分析。考慮到復位彈簧的相對磁導率與空氣的相對磁導率接近,將彈簧按空氣處理,對計算結果的影響可以忽略不計。為提高電磁場求解精確度,選定劃分網(wǎng)格的單元類型為PLANE53(四邊形八節(jié)點插值函數(shù)),自由度選用AZ,且為軸對稱,簡化后建立模型如圖3.1所示。

        圖3.1 電磁閥簡化模型

        3.2 定義材料屬性

        電磁閥有限元模型中有7種材料區(qū)域:定義空氣的相對磁導率為1;動鐵芯和定鐵芯材料為電磁純鐵,屬于軟磁材料,其磁化曲線如圖3.2所示;定義線圈的相對磁導率為1;線圈架相對磁導率為1;隔磁環(huán)相對磁導率為1;殼體材料為碳素鋼,相對磁導率為150。

        圖3.2 B-H曲線

        3.3 劃分網(wǎng)格求解

        為各區(qū)域賦予材料屬性和單元屬性后,設置網(wǎng)格形狀和尺寸,用Mesh工具劃分網(wǎng)格,并對動鐵芯與定鐵芯靠近部位進行網(wǎng)格局部細化。加載過程中,首先定義動鐵芯為一組件,對其加載力學邊界條件;再對線圈施加電流密度;最后選擇外圍節(jié)點,施加磁力線平行條件。求解時選擇求解器,確定為靜態(tài)分析類型。求解后,在通用后處理中查看所有得出的結果,得到電磁力的大小、磁力線分布圖、磁通密度云圖和磁場強度云圖。圖3.3是氣隙為0.4mm時的相關結果。

        磁力線分布圖

        圖3.3 氣隙為0.4mm時計算結果

        3.4 工作氣隙對電磁輸出力的影響

        本文采用安匝數(shù)為1000NI時,將氣隙從0mm增加到2.7mm,使用ANSYS軟件計算得到相應的電磁力,結果如圖3.4所示:

        圖3.4 氣隙長度——電磁輸出力關系圖

        從圖中可以看出:當氣隙長度從0增加到0.4mm時,動鐵芯受力迅速減小,在這個區(qū)間內(nèi),隨著氣隙增大,電磁輸出力迅速減小;氣隙從1.6mm到2.7mm區(qū)間內(nèi),隨氣隙增大,電磁輸出力變化不大。

        3.5 安匝數(shù)對電磁輸出力的影響

        本文采用氣隙為0.4mm,電流值為0.35A的條件下,分別計算了線圈安匝數(shù)為500NI,1000NI,1500NI,2000NI,2500NI,3000NI,3500N I,4000NI,4500NI,5000NI時的電磁輸出力,來研究安匝數(shù)變化對電磁輸出力的影響。

        圖3.5 安匝數(shù)——電磁輸出力關系圖

        從圖中可以看出,安匝數(shù)小于1000NI時,電磁輸出力隨著安匝數(shù)的增加而增加的速度較快。隨著安匝數(shù)越來越大,電磁輸出力增量越來越小,即增加安匝數(shù)不能顯著提高電磁輸出力。這是由于軟磁性材料磁化的非線性,當安匝數(shù)增加到一定數(shù)值時,磁性材料的磁感應強度達到飽和狀態(tài),此時安匝數(shù)增大,電磁輸出力變化就不太大。但線圈安匝數(shù)增大,發(fā)熱量也將增大,因此設計電磁閥時,應根據(jù)材料的飽和磁通量選擇安匝數(shù),以保證增大電磁輸出力的同時有效控制線圈的發(fā)熱量。

        4 結論

        利用ANSYS軟件,對電磁閥進行分析計算,得到的計算結果顯示該電磁閥滿足工作要求,能夠正常的工作;同時還得到了安匝數(shù)和工作氣隙對電磁輸出力的影響曲線。

        [1]孫明禮,胡仁喜,翠海蓉.ANSYS電磁學有限元分析實例指導教程[M].北京工業(yè)出版社,2007.

        [2]金建銘.電磁場有限元方法[M].王建國譯.西安:西安電子科技大學出版社,1997.

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