鄭海兵，黃光穎，彭幫亮

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于AMESim的電磁閥性能仿真

鄭海兵，黃光穎，彭幫亮

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介紹一種有限元與一維仿真相結(jié)合的仿真方案，對(duì)電磁閥磁頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁場(chǎng)建模仿真，對(duì)閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD流場(chǎng)仿真，在AMESim中建立完整的電磁閥模型，導(dǎo)入電磁頭特性數(shù)據(jù)，并用流量-壓力降等特性數(shù)據(jù)進(jìn)行閥體參數(shù)標(biāo)定，AMESim模型可以進(jìn)行PI、滯環(huán)、響應(yīng)等性能研究及dither控制參數(shù)探索。

dither；電磁閥；AMESim

CLC NO.:U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-120-03

引言

目前絕大多的液壓控制系統(tǒng)中都應(yīng)用電磁閥作為系統(tǒng)的關(guān)鍵控制元件，而電磁閥作為液壓控制系統(tǒng)中非常重要的控制元件，其性能的優(yōu)劣直接到關(guān)系液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度，執(zhí)行器動(dòng)作過(guò)程的控制精度，對(duì)液壓系統(tǒng)的性能表現(xiàn)有至關(guān)重要的影響。

電磁閥大多采用PWM信號(hào)控制方式，在設(shè)計(jì)電磁閥或應(yīng)用電磁閥過(guò)程中要對(duì)其性能有較為充分的了解，以指導(dǎo)系統(tǒng)控制參數(shù)的制定。對(duì)電磁閥進(jìn)行建模仿真是一種有效快捷的手段，但電磁閥涉及到機(jī)、電磁、液等領(lǐng)域難以在單一的仿真軟件上實(shí)現(xiàn)精確建模，使得電磁閥的性能研究有很大的局限性。

本文介紹一種采用有限元與一維仿真相結(jié)合的仿真方案，即對(duì)電磁閥磁頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁場(chǎng)仿真獲取電磁力特性數(shù)據(jù)，磁通特性數(shù)據(jù)；對(duì)閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD仿真獲取流量-壓力降等特性數(shù)據(jù)，同時(shí)在AMESim中建立完整的電磁閥模型，導(dǎo)入電磁頭特性數(shù)據(jù)，并用流量-壓力降等特性數(shù)據(jù)進(jìn)行閥體參數(shù)標(biāo)定，電磁模型夠?qū)﹄姶砰y選型及工作特性研究等具有更多的指導(dǎo)意義。

1 電磁閥結(jié)構(gòu)

本文以某款線(xiàn)性壓力電磁閥為建模對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如下：

圖1 某款線(xiàn)性壓力電磁閥

圖2 某款線(xiàn)性壓力電磁閥結(jié)構(gòu)圖

2 仿真分析

2.1 電磁頭仿真

利用flux工具軟件對(duì)電磁頭結(jié)構(gòu)2D簡(jiǎn)化建模，如下圖：

圖4 磁頭網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

圖3 磁頭2D軸對(duì)稱(chēng)幾何結(jié)構(gòu)

導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的導(dǎo)磁材料磁化特性數(shù)據(jù)后，設(shè)置參數(shù)化靜態(tài)仿真模式；

仿真電流設(shè)置：0.1A～1.2A，步進(jìn)0.1A；

銜鐵位移設(shè)置：0m～-0.0023m,步進(jìn)0.0001mm；（正負(fù)值視具體坐標(biāo)系而定）

啟動(dòng)仿真，完成后獲取電磁力與銜鐵位移、電流關(guān)系數(shù)據(jù)和磁通與銜鐵位移、電流關(guān)系數(shù)據(jù)，如下所示：

圖5 磁力特性模面

圖6 磁力特性系列曲線(xiàn)

圖7 磁通特性模面

圖8 磁通特性系列曲線(xiàn)

將數(shù)據(jù)處理成2D表格形式，以便AMESim軟件能夠正確讀取。

2.2 閥體CFD

對(duì)電磁閥閥體部分進(jìn)行流體域提取后，導(dǎo)入pumplinx中進(jìn)行建模仿真，如下所示：

圖9 閥體結(jié)構(gòu)流體域

圖10 閥體CFD壓力云圖

對(duì)不同閥芯位置下（即不同閥口開(kāi)度下）進(jìn)行仿真，油液屬性應(yīng)與液壓系統(tǒng)油液一致，分別獲取-15℃，40℃，90℃的流量-壓力降特性數(shù)據(jù)；

2.3 電磁閥AMESim建模仿真

在一維仿真軟件AMESim中，對(duì)電磁閥進(jìn)行完整建模，如下所示：

圖11 電磁閥AMESim模型

在-15℃，40℃，90℃三種溫度下設(shè)置與閥體結(jié)構(gòu)CFD相同工況，閥芯位移參數(shù)相同，根據(jù)流量-壓力降特性數(shù)據(jù)，對(duì)AMESim模型的閥體結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行標(biāo)定；

導(dǎo)入電磁力特性數(shù)據(jù)表和磁通特性數(shù)據(jù)表，設(shè)置仿真參數(shù)：

P口壓力源24bar，電壓源12V，PWM頻率3000Hz，PI反饋控制方式，結(jié)果采集頻率10000Hz；

電流響應(yīng)特性：

電磁頭氣隙分別設(shè)置：2.9mm/2mm/1.5mm/1mm，考察電流到達(dá)穩(wěn)定時(shí)間，即電磁頭時(shí)間常數(shù)。

圖12 線(xiàn)圈電流響應(yīng)曲線(xiàn)

圖13 穩(wěn)定壓力對(duì)比

響應(yīng)電流隨氣隙值的不同，電流響應(yīng)曲線(xiàn)表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，但到達(dá)穩(wěn)定時(shí)間基本一致，此處約為80ms，見(jiàn)圖12（時(shí)間常數(shù)受線(xiàn)圈電阻、線(xiàn)圈圈數(shù)、磁路中的磁阻及導(dǎo)電材料的渦流大小有關(guān)）。

穩(wěn)定壓力下，加載dither，與不加載dither對(duì)比：

仿真時(shí)間1s前不加載dither,1s后加載dither，dither參數(shù)為正弦波，頻率160Hz，振幅60mA；

加載dither前后，穩(wěn)定壓力提高約0.2bar，說(shuō)明加載dither后電磁閥輸出穩(wěn)定壓力會(huì)有微小提升見(jiàn)圖13。

考察不同dither頻率對(duì)電磁閥PI影響；

圖14 dither幅值60mA，不同頻率下電磁閥PI曲線(xiàn)

考察不同dither幅值對(duì)電磁閥PI的變化規(guī)律；

圖15 dither頻率160Hz,不同幅值下PI曲線(xiàn)

圖16 dither頻率160Hz,不同幅值下實(shí)際電流曲線(xiàn)

Dither幅值增大，可以在一定程度上減小磁滯；

Dither幅值增大，壓力波動(dòng)增大；

Dither對(duì)階躍壓力響應(yīng)特性的影響：

考察不同dither頻率、不同幅值下電磁閥壓力響應(yīng)的變化規(guī)律。

圖17 dither幅值60mA,不同頻率下階躍壓力曲線(xiàn)

圖18 dither幅值60mA,不同頻率下實(shí)際電流曲線(xiàn)

Dither頻率增大對(duì)階躍壓力的響應(yīng)非常小，趨勢(shì)上，頻率高響應(yīng)越快；

Dither頻率增大對(duì)穩(wěn)定壓力值大小有較為明顯的影響，頻率越大，穩(wěn)定壓力值越大；

圖19 dither頻率160Hz,不同幅值下實(shí)際電流曲線(xiàn)

Dither幅值增大，對(duì)壓力響應(yīng)很小，趨勢(shì)上，幅值越大響應(yīng)時(shí)間延遲；

Dither幅值增大，對(duì)穩(wěn)定壓力值大小有較為明顯的影響，穩(wěn)定壓力值越大；

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電磁頭進(jìn)行磁場(chǎng)仿真計(jì)算，獲取電磁力、磁通量等特性數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到AMESim電磁閥模型中進(jìn)行性能分析，得到如下結(jié)論：

1）電磁閥模型，導(dǎo)入磁通特性數(shù)據(jù)后，表現(xiàn)出相應(yīng)的電磁特性，具備了定性研究dither影響的功能；

2）電磁閥模型加載dither前后，穩(wěn)定壓力有較為明顯的變化，加載dither后穩(wěn)定壓力有不同程度的提高約0.2bar（視dither參數(shù)而定）；

3）電磁特性是導(dǎo)致電磁閥壓力滯環(huán)的主要原因，電磁閥加載dither后，PI曲線(xiàn)磁滯有明顯改善，但隨dither頻率增大超過(guò)臨界，磁滯將變大，dither幅值越大，磁滯越小，但壓力波動(dòng)將明顯增大；

4）Dither頻率、幅值等參數(shù)對(duì)電磁閥的響應(yīng)時(shí)間影響很小，趨勢(shì)上，頻率越大，響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，幅值越大響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，頻率和幅值對(duì)超調(diào)量的影響沒(méi)有明顯規(guī)律；

綜上初步分析結(jié)果表明了電磁頭磁場(chǎng)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)入AMESim電磁閥模型，閥體流場(chǎng)壓力降特性數(shù)據(jù)標(biāo)定的單閥性能分析仿真技術(shù)方法夠?qū)﹄姶砰y選型及工作特性研究等具有更多的指導(dǎo)意義。

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The simulation of solenoid valve based on AMESim

Zheng Haibing, Huang Guangyin, Peng Bangliang
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Using finite element analysis software combined with one-dimensional simulation software simulation analysis of solenoid valve performance.The finite element analysis software is used to simulate the magnetic field of magnetic head of the solenoid valve and analyze the CFD floe field of the valve body. Set up the complete solenoid valve model in AMESim of one-dimensional simulation software, import characteristics data of magnetic head to the mole and calibrate parameters of the valve body using flow-pressure drop and other the characteristics data.So as to further study the influence of dither on PI, hysteresis and response of solenoid valve.

solenoid valve; AMESim; dither

U463.6

A

1671-7988 (2017)13-120-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.041

鄭海兵（1982-），男，就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，現(xiàn)為變速箱設(shè)計(jì)工程師。從事于DCT變速器產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。