陳雪勇，譚 耳，陳 強

(貴州航天林泉電機有限公司國家精密微特電機工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽550081)

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小型高溫燃氣電磁閥電磁推力的設計及仿真

陳雪勇，譚 耳，陳 強

(貴州航天林泉電機有限公司國家精密微特電機工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽550081)

針對航天某裝置對高溫高壓燃氣進行流量控制的要求，設計了耐高溫高壓的電磁閥。采用經(jīng)驗公式與有限元分析相結(jié)合的方法對高溫燃氣電磁閥的電磁鐵進行設計以提高其電磁推力和動態(tài)性能。最后通過試驗進行測試驗證，電磁推力滿足電磁閥的要求，為工程技術(shù)人員進行同類產(chǎn)品的研制提供了可借鑒的方法。

電磁閥 高溫高壓 電磁鐵 有限元仿真 動態(tài)性能

0 引言

電磁閥是控制系統(tǒng)中控制流體介質(zhì)(液體或氣體)方向、流量等的主要執(zhí)行部件。本文介紹的是一種直動式、無中位的兩位兩通開關(guān)式電磁閥，用于航天領域控制高溫高壓燃氣的通斷。電磁閥所要達到的技術(shù)指標為：氣體壓力2.5 MPa、溫度800 ℃，工作時間約420 s。

通過控制電磁鐵產(chǎn)生電磁力推動芯軸運動，從而控制電磁閥進出口通道的通斷。其主要特點是將高溫高壓燃氣與電磁鐵部分隔離，能夠長時間多次對進出氣口通道的通斷進行控制。

1 電磁閥結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 電磁閥結(jié)構(gòu)組成

電磁閥主要由高溫合金殼體形成的燃氣通道、電磁鐵兩部分組成，兩者之間由高硅氧玻璃鋼隔熱墊進行隔離，分別如圖1、2所示，其中高溫燃氣通道由高溫合金殼體部分、左右襯套、芯軸等部分組成，電磁鐵由定子、銜鐵、復位彈簧等部分組成[1]。

圖1 系統(tǒng)組成框圖 圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 電磁閥工作原理

電磁閥在電磁鐵不通電時為常閉狀態(tài)，如圖3所示，靠復位彈簧的預緊力將芯軸固定在右極限位置，即進氣口和放氣口不連通。當電磁鐵通電后，產(chǎn)生的電磁鐵推力F克服燃氣阻力和復位彈簧進一步壓縮阻力之和，推動芯軸由右極限位置向左極限位置運動，當芯軸到達左極限位置時為打開狀態(tài)，如圖4所示，即進氣口和放氣口連通，能夠在要求的高溫高壓燃氣環(huán)境下多次可靠的開啟和關(guān)閉。

圖3 常閉狀態(tài)(芯軸在右極限位置) 圖4 打開狀態(tài)(芯軸在左極限位置)

2 電磁鐵推力設計

電磁鐵推力設計要解決的主要問題是在電阻上升、電壓下降的情況下能否將燃氣通道正常開啟，滿足系統(tǒng)的響應時間，同時在斷電時，依靠復位彈簧的彈力將芯軸推到常閉位置，也能夠滿足系統(tǒng)要求的響應時間。

2.1 電磁鐵參數(shù)設計

電磁鐵推力F大小不僅與線圈線徑、線圈匝數(shù)、線圈電阻有關(guān)，還與氣隙δ有關(guān)，而氣隙主要由電磁閥芯軸行程L決定(L<δ)。因此電磁鐵參數(shù)設計在滿足推力要求的情況下，推力不能太大，否則會增大電磁鐵的工作電流，在長時間使用過程中發(fā)熱嚴重，同時也會使電磁鐵重量增加。根據(jù)螺管式電磁閥的經(jīng)典電磁力計算公式[2-3]：

(1)

式中：μ0=4π×10-7H/m；S—氣隙面積161 mm2；d—漆包線直徑0.315 mm；D1—繞線外徑35 mm；D2—繞線軸直徑20 mm；δ—氣隙長度1 mm；U—電壓28 V；ρ—銅的電阻率0.017 8 Ω·mm2/m；

由于線圈的工作電壓一定，因此在有限的體積內(nèi)按照式(1)計算出推力F=125 N。

考慮到磁路存在漏磁，實際在工作氣隙中起作用的只是線圈磁勢的一部分，考慮漏磁后，式(1)可以寫成：

(2)

式(2)中Kf為漏磁系數(shù)，取值由磁路組成決定，根據(jù)磁路設計的好壞差別很大，可在1～10范圍變化，通常在電磁閥設計中取1.2～5.0，該值的選取帶有很大的經(jīng)驗性，可以通過結(jié)構(gòu)類似的電磁鐵進行類比估算。

2.2 電磁鐵推力仿真分析

由于以上簡單計算時假定導磁材料具有恒定的磁導率，但是考慮到實際導磁材料的磁化曲線，在應用有限元計算時可以采用非線性材料模型，通過定義導磁材料的磁化曲線來反映在一定外加磁場下材料的磁感應強度。

計算時分別考慮工業(yè)純鐵和精密導磁合金磁化曲線的非線性特征，考慮到氣隙處結(jié)構(gòu)較小，并且此處需要精密分析，有限元離散時在此處加密網(wǎng)格，其有限元模型如圖5所示。對電磁鐵定子、電磁銜鐵、繞組、氣隙進行剖分，其網(wǎng)格剖分效果如圖6所示。網(wǎng)格劃分均勻，氣隙處網(wǎng)格密度最大，滿足瞬態(tài)場有限元分析的要求[4-5]。

圖5 電磁鐵有限元分析模型 圖6 電磁鐵網(wǎng)格剖分效果

對電磁力進行仿真，可以得到整個空間的磁力線分布、磁路各處磁感應強度大小，有利于磁力計算與磁路優(yōu)化。

電磁鐵電源電壓取28 V DC，線徑取0.315 mm，共1 560匝，常溫電阻29 Ω，電流為0.966 A。電磁鐵的輸出力曲線如圖7所示，電磁鐵的輸出力在動子0.1 mm處最大為116 N，在1.1 mm處為59.4 N。

在工作過程中，線圈溫度的升高來源于兩個方面，線圈自身通電后發(fā)熱以及殼體部分高溫燃氣的熱傳遞，根據(jù)電磁閥的綜合比熱容、質(zhì)量和散熱面積等核算其達到熱平衡的時間為1 090 s，因此在電磁閥工作的時間420 s內(nèi)，其溫升大約70℃。

圖7 電磁鐵常溫輸出力

電磁鐵線圈溫升70℃時電阻為36.7 Ω，電流為0.763 A。電磁鐵的輸出力曲線如圖8所示，溫升70℃的輸出力在動子0.1 mm處最大為102.6 N，在1.1 mm處為49.3 N。

圖8 電磁鐵高溫輸出力

電磁銜鐵分別在初始位置1.1 mm和吸合位置0.02 mm時電磁鐵各部分磁密云圖如圖9、10所示，電磁銜鐵在1.1 mm處平均磁通密度為1.5 T，當電磁銜鐵運行到0.02 mm處，平均磁通密度增加到1.7 T，電磁銜鐵磁力線均勻無畸變，磁通密度未飽和。

圖9 電磁銜鐵在1.1 mm處(初始位置)的磁密云圖

2.3 電磁鐵推力實測及對比

為驗證電磁鐵推力仿真模型和結(jié)果的正確性，

圖10 電磁銜鐵在0.02 mm處(吸合位置)的磁密云圖

將電磁鐵放置在壓力試驗機上，調(diào)節(jié)好初始位置，保證氣隙δ=1.1 mm，當通電28 V DC后，產(chǎn)生的電磁鐵推力瞬間值為86.24 N，穩(wěn)態(tài)值為62.5 N，與常溫

狀態(tài)下仿真結(jié)果59.4 N，兩者誤差約5%。

通過對電磁鐵電磁推力經(jīng)驗公式的計算說明電磁鐵推力的估算精度受參數(shù)選取影響非常大，對于有豐富電磁鐵設計經(jīng)驗的技術(shù)人員可以采用；而通過有限元方法能夠考慮磁性材料的非線性特征，能夠較為精確地計算出漏磁效應及整個磁路空間的磁場分布，而實際測試結(jié)果也與仿真結(jié)果較為接近，準確性也最高，適合在工程設計與優(yōu)化中推廣使用。

3 動態(tài)性能-響應時間測試

由于動態(tài)特性-響應時間非常短，用常規(guī)時間測量方法無法進行測量，本文采取的測量方法是在一測試工裝架上，用一根連接軸將電磁閥內(nèi)部直線運動的芯軸與直線電位器的動軸用螺紋連接固定，如圖11所示，在電磁閥通斷電瞬間，直線電位器的動軸與電磁閥內(nèi)芯軸同步運動，將芯軸直線運動的位置信號轉(zhuǎn)化為直線電位器的電信號進行響應時間的測量，如圖12、圖13所示，分別為打開和關(guān)閉電磁閥的響應時間t1和t2。測試結(jié)果正確， 測試精度

圖11 響應時間測試原理圖

圖12 打開電磁閥時間t1 圖13 關(guān)閉電磁閥時間t2

高，能夠滿足快速直線運動類產(chǎn)品的響應時間的測試。已經(jīng)在某小型高溫電磁閥的響應時間的測試上成功應用，測試響應時間為6 ms～10 ms，滿足技術(shù)指標的要求。

4 結(jié)論

本文介紹了某小型高溫高壓燃氣電磁閥的工作原理及其電磁鐵推力計算與仿真過程，滿足系統(tǒng)的響應時間要求。從理論上證明該電磁閥設計的合理性，地面熱試車結(jié)果從實踐上證明該電磁閥使用可靠，性能穩(wěn)定。它的研制成功解決了對高溫高壓燃氣進行長時間控制的難題, 并為同類產(chǎn)品的研制提供了可借鑒的方法。

[1] 吳宗澤. 機械設計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2011.

[2] 李泉風. 電磁場數(shù)值計算與電磁鐵設計[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3] 錢家驪. 電磁鐵吸力公式的討論[J]. 電工技術(shù)，2001(1)：59-60.

[4] 安琳，劉志珍，趙琳. 電磁閥的有限元法磁場分析及吸力計算[J]. 山東大學學報(工學版)，2004，34(6)：27-31.

[5] 付文智，李明哲，鄧玉山. 直流電磁鐵磁場和牽引力的數(shù)值模擬[J]. 機械學報，2005，36(2)：100-103.

Design and simulation of electromagnetic thrust of small high temperature gas solenoid valve

CHEN Xueyong, TAN Er, CHEN Qiang

A high temperature and high pressure solenoid valve is designed according to the requirement of high temperature and high pressure gas flow control of an aerospace device. The electromagnet of high temperature gas solenoid valve is designed to improve the electromagnetic force and dynamic performance using empirical formula and finite element analysis method. At last, the test is carried out to verify that the electromagnetic force meets the requirements of the solenoid valve. This design provides a reference method of the development of similar products for engineers and technicians.

solenoid valve, high temperature and high pressure, electromagnet, finite element simulation, dynamic performance

TH138.52+3

A

1002-6886(2016)06-0055-04

陳雪勇(1984-)，男，工程師，擔任多種電動機構(gòu)主管設計工作，所承擔的課題包括：直動式高溫高壓電磁閥、旋轉(zhuǎn)式高溫高壓燃氣閥門、有限轉(zhuǎn)角電動機構(gòu)、直線推力電動機構(gòu)、多級行星齒輪減速器等。

2016-08-04