謝標(biāo)志 眭 敏

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

交流電磁閥是一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、全封閉的電磁電器，多用在空調(diào)制冷等行業(yè)中。電磁閥是利用電磁線圈繞組通過交變電流激法磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁吸力，驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)以開啟或關(guān)閉閥門的結(jié)構(gòu)器件[1-4]，交流電磁電器工作中會(huì)產(chǎn)生磁滯、渦流損耗，為減小損耗鐵芯由硅鋼片疊壓而成，而在電磁閥中，由于結(jié)構(gòu)及尺寸特點(diǎn)，一般采用整體的鐵芯和磁軛，電磁損耗更加嚴(yán)重，導(dǎo)致電磁閥運(yùn)行溫升顯著，影響電磁閥的安全運(yùn)行及壽命[5-8]。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、尺寸及計(jì)算電磁力值的精準(zhǔn)程度決定了系統(tǒng)性能可靠的程度[9]。研究結(jié)果顯示,在不同工作狀態(tài)下精確獲得通過磁軛和鐵芯的磁感應(yīng)值對(duì)電磁閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電磁力計(jì)算有重要影響[10]。但是,電磁力受數(shù)個(gè)參數(shù)影響，只根據(jù)磁芯和磁軛的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算會(huì)導(dǎo)致存在不充分的計(jì)算量和較大的誤差[11-12]。為此，找到一種在空調(diào)的各種工作狀態(tài)下有效預(yù)測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力的方法是這些問題的解決方案。對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度特性影響因素的研究[13],眾說紛紜。SEG等[14]在這方面做了相關(guān)研究：通過電磁理論推導(dǎo)了電磁制動(dòng)器所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度公式，利用位勢(shì)能理論,成功地對(duì)艦船磁場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè),并對(duì)電渦流緩速器電磁力計(jì)算公式進(jìn)行了研究,并運(yùn)用電磁位對(duì)A-Ф-A方法和庫(kù)侖規(guī)范實(shí)現(xiàn)了三維渦流場(chǎng)定解問題的完整表述[15]。張逸等公開了一種無極變速調(diào)節(jié)的磁流變離合器發(fā)明專利，對(duì)永磁體和電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)共同作用下的電磁力傳遞提供了預(yù)測(cè)與調(diào)節(jié)方法[16]。本文基于位勢(shì)能理論和麥克斯韋方程以及三維/二維仿真，根據(jù)電磁閥磁軛和鐵芯處形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行構(gòu)造電磁閥磁感應(yīng)強(qiáng)度、電磁力的預(yù)測(cè)模型，并分析推算某一類型電磁閥內(nèi)鐵芯形成的磁通密度，最終預(yù)測(cè)各種工作溫度下的電磁力、磁感應(yīng)，獲得的預(yù)測(cè)值與理論計(jì)算值基本一致[17]。

1 電磁閥閥芯啟動(dòng)電磁力計(jì)算

選用虛功原理進(jìn)行計(jì)算啟動(dòng)閥體所需要的電磁力。假設(shè)在空調(diào)器的制冷控制系統(tǒng)中，由n個(gè)電磁回路組成閥體與電磁線圈的系統(tǒng)，如圖1和圖2示，假定在磁場(chǎng)的電磁力作用下，系統(tǒng)中某磁路出現(xiàn)相對(duì)位移ds，且各回路磁鏈的變化為dψi，則外部電源完成的功的值與電磁閥系統(tǒng)內(nèi)增加能量和磁場(chǎng)力作功總和的值相等[18～20]，即：

外部電源完成的功與系統(tǒng)中電流回路所鏈環(huán)內(nèi)磁通量變化形成的感生電動(dòng)勢(shì)發(fā)生相互抵抗作用[20]，具體如下：

控制系統(tǒng)內(nèi)磁場(chǎng)總能量：

控制系統(tǒng)內(nèi)電磁線圈部分增加儲(chǔ)能：

空調(diào)器的制冷控制系統(tǒng)內(nèi)電磁線圈上的電流通過空調(diào)裝置的控制芯片的高頻變壓器輸出，并且電磁線圈的電感很小，則有dIi=0，從而有：

則：Fds=dWm，并對(duì)該式進(jìn)行轉(zhuǎn)化得：

若系統(tǒng)內(nèi)針閥產(chǎn)生了軸向偏移s，那么針閥在軸向變化過程中受到電磁力F為：

在給定不同結(jié)構(gòu)尺寸值的情況下，可以動(dòng)態(tài)地描述磁性材料中的渦流在交變電磁場(chǎng)的作用下引起的磁場(chǎng)力的變化。通過這種磁力數(shù)學(xué)模型與鐵磁材料力學(xué)模型結(jié)合，可以動(dòng)態(tài)描述磁性材料在交變磁場(chǎng)作用下隨磁場(chǎng)變化的動(dòng)態(tài)力過程。

2 磁感應(yīng)強(qiáng)度模型

假設(shè)某款空調(diào)器電磁閥，針閥長(zhǎng)度L1為16 mm，針閥橫截面積A為2 mm2，制冷轉(zhuǎn)換制熱、制熱轉(zhuǎn)換制冷工況閥針關(guān)閉系統(tǒng)高低壓力差分別為1.1 Mpa、1.5 Mpa。若忽略針閥自重，根據(jù)閥針在空調(diào)系統(tǒng)制冷轉(zhuǎn)換制熱、制熱轉(zhuǎn)換制冷工況的正常工作所需要的驅(qū)動(dòng)力：制冷轉(zhuǎn)換制熱所需電磁閥驅(qū)動(dòng)力3.5～3.6 N，制熱工況保持所需電磁閥驅(qū)動(dòng)力5.8～6.0 N，并且線圈溫度升高后保持力不得小于該數(shù)值。

電磁閥中電磁線圈的匝數(shù)、電流強(qiáng)度以及磁軛、針閥材料影響著針閥啟動(dòng)狀態(tài)下所需電磁閥驅(qū)動(dòng)力大小，所以，采用合適的電磁線圈結(jié)構(gòu)、針閥材料等參數(shù)能更準(zhǔn)確計(jì)算獲得針閥啟動(dòng)所需要的電磁閥驅(qū)動(dòng)力[20]。

電磁力可精確調(diào)控電磁線圈的三維結(jié)構(gòu)、剖視圖如圖1、圖2所示。其中，磁軛（1）選擇材料為普通鍍鋅鋼板，磁軛（1）與閥座（2）通過螺絲緊固。電磁線圈采取多組漆包線繞組串聯(lián)，通過酚醛樹脂注塑密封。

電磁線圈被磁軛（1）緊密應(yīng)力包裹，無法松動(dòng)。閥體（6）與閥針（7）通過車刀滾壓緊密連接。閥體（6）與閥座（2）中間安置有彈簧，如圖2。漆包線繞組通電后產(chǎn)生電磁力克服彈簧力、系統(tǒng)流體阻力，推動(dòng)閥體（6）與閥針（7）運(yùn)動(dòng)。

將以上結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為電磁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖，如圖3。

2.1 電磁線圈匝數(shù)選擇

綜合考慮空調(diào)電磁閥結(jié)構(gòu)特征與安裝方式，選用通過銅線進(jìn)行纏繞10 000匝的電磁閥，常溫條件下其電磁線圈電阻為0.12 Ω左右。通過電源系統(tǒng)輸出不同工作狀態(tài)下所需的直流電，獲得不同工作狀態(tài)下的線圈電流安匝數(shù)，詳細(xì)如本文第3節(jié)系統(tǒng)磁場(chǎng)分析。

2.2 針閥材料屬性選用

在電磁線圈通電的條件下，系統(tǒng)中產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度較大的磁化場(chǎng)，導(dǎo)致存在較強(qiáng)的電磁力作用在針閥上。只有撤去磁化場(chǎng)，針閥上的電磁力才會(huì)不存在[20]。為更好實(shí)現(xiàn)這一控制效果，需要選用具有軟磁特征的材料作為針閥材料。同時(shí)，根據(jù)電磁力強(qiáng)度方面進(jìn)行選擇，可采用具有相對(duì)磁導(dǎo)率μM1.1、剩余磁化強(qiáng)度Br 1.20屬性的軟磁材料作為針閥材料。

2.3 磁軛材料屬性選用

在制冷控制系統(tǒng)工作運(yùn)行中，因?yàn)榇跑椆潭ㄓ诳照{(diào)器的內(nèi)部，所以不存在載荷沖擊作用于磁軛的情況。因此磁軛的表面需要盡可能的平滑，其材料可以選用非線性磁性材料作。選用磁軛材料B-H的磁化曲線如圖4示。

圖1 電磁力可精確調(diào)控電磁線圈三維結(jié)構(gòu)

圖2 電磁線圈與閥體組成的系統(tǒng)圖

圖3 簡(jiǎn)化的電磁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

3 系統(tǒng)磁場(chǎng)的分析

空調(diào)電磁閥的電磁場(chǎng)有限元模擬由ANSOFT的Maxwell 3D / 2D軟件完成[20]?；陔姶啪€圈和針閥建立具有軸對(duì)稱特征的系統(tǒng)，該系統(tǒng)求解區(qū)在針閥的軸線方向上。綜合分析發(fā)現(xiàn)，邊界處的場(chǎng)量數(shù)值較大，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)行截?cái)鄷?huì)產(chǎn)生反射的情況。磁場(chǎng)分析過程中.通過Maxwell2D軟件上氣球邊界功能,使外部區(qū)域設(shè)定為無限遠(yuǎn)磁感強(qiáng)度為0的氣球邊界，此時(shí)，磁場(chǎng)與邊界不存在垂直或平行的關(guān)系。這樣能有效避免當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)磁場(chǎng)量為零時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤結(jié)果的情況。

在劃分系統(tǒng)為單元網(wǎng)格過程中，需要選用合理的劃分方式。ANSOFT軟件本身自帶具有功能強(qiáng)大的2D網(wǎng)格生成器（Manual Mesh），使用該2D網(wǎng)格生成器能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效自動(dòng)分割。該工具具有細(xì)化鐵芯、針閥、磁軛、電磁線圈及附近區(qū)域的網(wǎng)格密度分布，可設(shè)置與邊界線相匹配的命令，從而完成系統(tǒng)網(wǎng)格的劃分，如圖5所示。

在使用Maxwell3D / 2D軟件的分析和求解過程中，根據(jù)磁軛，針閥，漆包線繞組，閥座等組件的實(shí)際尺寸進(jìn)行生成幾何模型，并指定所選組件(電磁線圈，磁軛，針閥等)材料的屬性，建立無窮遠(yuǎn)電磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的氣球邊界條件。

空調(diào)冷態(tài)開機(jī)時(shí)，電磁閥線圈冷態(tài)，線圈溫度為20 ℃。此時(shí)，漆包線繞組串聯(lián)組成電磁線圈，空調(diào)制冷與制熱工況轉(zhuǎn)換時(shí)漆包線繞組激勵(lì)源為117安·匝。設(shè)定電磁力為求解參數(shù)，并進(jìn)行求解分析，得到求解結(jié)果如圖6，從圖中可見閥針靠近電磁閥處磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁力線分布，Y向電磁力FY可準(zhǔn)確求解，為FY=21.948 N。

空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間工作后，電磁閥線圈保持通電一段時(shí)間后，電磁線圈溫度會(huì)逐漸升高，長(zhǎng)期工作后更達(dá)到熱平衡狀態(tài)，此時(shí)線圈熱平衡溫度約為100 ℃。此時(shí)，由于漆包線繞組熱平衡態(tài)電阻阻值的變化，線圈激勵(lì)源變更為61安·匝。設(shè)置完求解參數(shù)，再次求解結(jié)果如圖7，從圖中可見閥針靠近電磁閥處磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁力線分布，Y向電磁力FY可準(zhǔn)確求解，為FY=6.967 9 N。

其中，圖7(a)是電磁閥系統(tǒng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度圖。由圖可知，針閥靠近電磁線圈的磁感應(yīng)B在空調(diào)冷態(tài)開機(jī)與長(zhǎng)時(shí)間工作后的最大值分別可達(dá)到1.456 T和0.822 T。在電磁線圈接上電源的同時(shí)，針閥閥體中產(chǎn)生較強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，對(duì)針閥開啟的動(dòng)態(tài)特性具有增強(qiáng)作用。圖7(b)是電磁閥系統(tǒng)的磁場(chǎng)線分布圖，在靠近電磁線圈的針閥鐵芯安裝位置的磁力線分布密度最大，針閥位置及其附近的磁力線分布密度較小。

使用Maxwell3D/2D進(jìn)行分析求解獲得空調(diào)冷態(tài)開機(jī)與長(zhǎng)時(shí)間工作后的軸向電磁力分別為21.948 N和6.968 N，大于克服調(diào)壓彈簧所需要彈力6.0 N分別約16 N和1 N，以此來保證針閥開啟的快速響應(yīng)。另外，根據(jù)分析求解的結(jié)果，針閥在克服調(diào)壓彈簧所需要彈力的同時(shí)受到3 N和0.2 N的橫向力，這可能會(huì)使針閥在啟動(dòng)中出現(xiàn)軸心偏移的情況，致使針閥閥體磨損。因此，針閥閥體上部分的材料需要完成表面強(qiáng)化、提高耐磨性的加工工序[20]。

圖4 磁軛材料B-H磁化曲線

圖5 系統(tǒng)磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁力線分布圖

電磁線圈為冷態(tài)溫度為20 ℃時(shí)，組成電磁線圈的串聯(lián)漆包線繞組為10 000匝時(shí)，通過電流從0.000 9到0.017 9 A，本電磁線圈系統(tǒng)輸出的驅(qū)動(dòng)電磁力的精確值隨電流值變化的曲線（圖8）。

其他各個(gè)工況的輸出電磁驅(qū)動(dòng)力隨電流的變化也可類似模擬得到。

圖6 冷態(tài)開啟電磁閥系統(tǒng)內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度-磁力線分布圖

圖7 熱平衡態(tài)電磁閥系統(tǒng)磁感應(yīng)強(qiáng)度-磁力線分布圖

圖8 系統(tǒng)電磁力隨通過電流變化的趨勢(shì)曲線

4 結(jié)論

利用虛功原理推導(dǎo)了空調(diào)器電磁閥針閥開啟動(dòng)作所需電磁力計(jì)算方程，定義了電磁力特性計(jì)算指標(biāo)，由Maxwell3D/2D軟件分析求解得到空調(diào)器不同工作狀態(tài)下的電磁閥系統(tǒng)磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁力線分布圖及電磁力計(jì)算結(jié)果。隨著工作電流的增大，鐵芯處的磁感應(yīng)強(qiáng)度更趨均勻，越靠近鐵芯外表位置時(shí)，磁力線分布越密集，靠近電磁線圈的針閥鐵芯安裝位置的磁力線分布最密，軸方向位移和啟閥驅(qū)動(dòng)力的快速增大。

本文分析了電磁線圈匝數(shù)、針閥材料、磁軛材料等結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料選型，對(duì)空調(diào)器不同工況下電磁閥驅(qū)動(dòng)力的影響，得到了不同工作狀態(tài)對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)能力的性能曲線，能夠讓針閥在開啟瞬間得到克服系統(tǒng)高低壓力差所需的電磁力，有效地提高了針閥開啟的動(dòng)態(tài)特性與響應(yīng)能力。設(shè)計(jì)同步考慮了針閥在開啟瞬間所受到橫向作用力，仿真模型與動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算提高了設(shè)計(jì)效率，為空調(diào)器高可靠性的電磁閥針閥表面設(shè)計(jì)與研究奠定了理論基礎(chǔ)。