劉 釗,張鵬鵬,陸 亮,朱玉田

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 201804)

0 引 言

螺紋插裝閥是繼管式、板式、疊加式、二通插裝式后出現(xiàn)的第5種連接方式的閥[1],在中小流量的工程機(jī)械中應(yīng)用廣泛[2]。20世紀(jì)末期,結(jié)合電磁控制與插裝技術(shù)的螺紋插裝電磁閥得到了快速發(fā)展。其中,電磁鐵是其重要部件[3,4],電磁鐵的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其工作性能有很大的影響[5]。在有關(guān)于該領(lǐng)域的相關(guān)研究中,國(guó)外對(duì)電磁閥及電磁鐵研究的時(shí)間較長(zhǎng)[6,7],而我國(guó)起步較晚,并且國(guó)內(nèi)的研究主要集中在以寧波海宏為代表的液壓企業(yè),以及以浙江大學(xué)為代表的大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)[8]。

國(guó)內(nèi)外有很多關(guān)于電磁閥中電磁鐵的研究。李威[9]采用理論分析、有限元仿真、實(shí)驗(yàn)研究等方法,研究分析了影響耐壓高速開(kāi)關(guān)電磁鐵的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。杜金鳳[10]使用AnsoftMaxwell軟件對(duì)螺紋插裝電磁換向閥的電磁鐵進(jìn)行了有限元仿真,對(duì)吸力的仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電磁鐵可以可靠地完成液壓閥的開(kāi)啟和關(guān)閉。王旭平等[11]采用數(shù)學(xué)模型和有限元仿真模型分析了電磁鐵主副繞組的電磁特性,對(duì)于研究無(wú)位移傳感器檢測(cè)動(dòng)鐵位置具有一定的理論意義。祝聰?shù)萚12]基于電磁場(chǎng)理論和Maxwell仿真軟件,分析了螺管式電磁鐵的靜態(tài)吸力特性和動(dòng)態(tài)吸合過(guò)程,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明動(dòng)態(tài)吸合過(guò)程中吸力的穩(wěn)定值與靜態(tài)相同氣隙條件下是相等的。LIU Q等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法分析了直動(dòng)式電磁閥的電磁力,并優(yōu)化了電磁閥結(jié)構(gòu)。SUN Z Y等[14]研究了電磁閥中的電磁能量轉(zhuǎn)換,并研究了驅(qū)動(dòng)電流和磁路中的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)靜態(tài)電磁力的影響。WANG L等[15]采用數(shù)值模擬的方法，研究了鐵芯截面積和安培匝數(shù)對(duì)靜態(tài)電磁特性的影響,對(duì)鐵芯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)電磁性能。

盡管有很多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)針對(duì)電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響做了有限元仿真分析,但并沒(méi)有進(jìn)行比較全面系統(tǒng)地分析;而且有些僅僅分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁鐵初始吸力的影響[16]13。為了滿足我國(guó)對(duì)電磁閥性能更高的要求,迫切需要更多地研究電磁鐵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響。

本文基于Maxwell電磁有限元仿真分析模型,以某一螺紋插裝電磁換向閥為研究對(duì)象,研究線圈外殼厚度、斷磁厚度、銜鐵吸合錐角和隔磁環(huán)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁鐵吸力特性的影響,并且分析不同結(jié)構(gòu)對(duì)電磁鐵行程力曲線的影響。

1 開(kāi)關(guān)閥電磁場(chǎng)有限元模型

1.1 有限元模型建立

基于國(guó)外某型號(hào)二位三通螺紋插裝電磁換向閥,筆者設(shè)計(jì)出一種新的開(kāi)關(guān)電磁閥,被分析螺紋插裝開(kāi)關(guān)閥的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。

圖1 被分析螺紋插裝開(kāi)關(guān)閥的結(jié)構(gòu)及工作原理圖

圖1中,電磁鐵采用上拉式結(jié)構(gòu),隔磁環(huán)與閥體采用螺紋連接的方式。當(dāng)電磁鐵通電時(shí),處于2—3工作狀態(tài),斷電時(shí)處于2—1工作狀態(tài),工作行程為3 mm。

在此處的設(shè)計(jì)樣本中,開(kāi)關(guān)電磁鐵組件是關(guān)于中心軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。該開(kāi)關(guān)電磁鐵的詳細(xì)構(gòu)造如圖2所示。

圖2 被分析開(kāi)關(guān)電磁鐵詳細(xì)構(gòu)造1—擋鐵;2—銜鐵;3—閥芯;4—閥體;5—隔磁環(huán);6,7,8—線圈外殼;9—線圈

圖2中,十字網(wǎng)格填充部分是線圈,材料為銅;斜線填充部分是導(dǎo)磁材料,型號(hào)為steel-1010;無(wú)填充部分是隔磁環(huán),材料為不導(dǎo)磁材料12l14,可以看作是空氣。

為便于計(jì)算和針對(duì)性仿真,筆者將電磁鐵結(jié)構(gòu)組件進(jìn)行簡(jiǎn)化,如圖3所示。

圖3 電磁鐵簡(jiǎn)化分析

圖3(a)為仿真分析簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型,其中的封閉線為磁回路。圖3(b)將磁路與電路類比,得出簡(jiǎn)化分析的類比電路,滿足磁路歐姆定律[16]24,即:

NI=?·∑R

(1)

式中:NI—線圈安匝數(shù),A;?—磁回路磁通量,Wb;R—磁阻,H-1。

1.2 仿真參數(shù)及設(shè)置

由于電磁鐵組件為中心軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),可用ANSYS Maxwell的二維磁場(chǎng)進(jìn)行分析。Maxwell的二維靜態(tài)磁場(chǎng)求解原理滿足的方程為[17]:

B=▽×A=μH=u0urH

(2)

(3)

式中:B—磁感應(yīng)強(qiáng)度,Wb/m2或T;A—矢量磁位,Wb/m;μ—介質(zhì)的磁導(dǎo)率,H/m;μ0—真空磁導(dǎo)率,H/m;ur—相對(duì)磁導(dǎo)率;H—磁場(chǎng)強(qiáng)度,A/m;AZ—關(guān)于Z軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的矢量磁位,Wb/m;Jz—傳導(dǎo)電流密度矢量,A/m2。

此處Maxwell運(yùn)用有限元方法,根據(jù)式(2,3)即可求得磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、矢量磁位的分布。用磁感應(yīng)強(qiáng)度B可求得銜鐵所受到的吸力大小,求解吸力的麥克斯韋方程如下:

(4)

式中:F—銜鐵吸力,N;B—工作氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;S—磁路截面積,m2。

筆者運(yùn)用Maxwell仿真分析電磁鐵吸力特性,需先導(dǎo)入仿真分析模型,設(shè)置為關(guān)于Z軸對(duì)稱;然后從材料庫(kù)中進(jìn)行選擇,并設(shè)置各部分材料,接著設(shè)置邊界條件為關(guān)于Z軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)專屬的氣球邊界條件;同時(shí)設(shè)置激勵(lì)及線圈安匝數(shù),最后劃分網(wǎng)格,并進(jìn)行檢驗(yàn)和求解。

2 電磁鐵吸合力特性分析與改進(jìn)

在電磁鐵組件中,線圈外殼厚度、斷磁厚度、銜鐵吸合錐角和隔磁環(huán)都會(huì)影響電磁鐵吸力特性。根據(jù)圖3(b)的磁路類比電路,線圈外殼厚度影響鐵磁磁阻的大小,斷磁厚度影響斷磁磁阻的大小,銜鐵端部吸合面錐角影響氣隙磁阻的大小,隔磁環(huán)影響漏磁磁阻的大小。

2.1 線圈外殼厚度的影響與改進(jìn)

線圈外殼厚度影響鐵磁磁阻的大小,軸向外殼厚度和徑向外殼厚度是影響電磁鐵吸力特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

線圈外殼厚度分析模型及仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 線圈外殼厚度分析模型及仿真結(jié)果

由圖4(c,d)可知:軸向和徑向外殼厚度對(duì)吸力的影響曲線的拐點(diǎn)均在1 mm附近,當(dāng)軸向和徑向外殼厚度大于1 mm時(shí),外殼厚度對(duì)最大工作氣隙時(shí)的吸力影響很小。因此，在外殼盡可能輕的情況下,要保證其最薄處的厚度要大于1 mm,否則會(huì)使電磁力有明顯的減小。

2.2 斷磁厚度的影響與改進(jìn)

在電磁閥的實(shí)際設(shè)計(jì)中,也有銜鐵外殼為完全不導(dǎo)磁材料的情況,在滿足換向力大小的前提下,便于閥體整體的制造加工。此處將外殼為完全不導(dǎo)磁材料的情況稱為斷磁。

斷磁仿真分析模型如圖5所示。

圖5 斷磁仿真分析模型

斷磁厚度影響斷磁磁阻的大小,從而影響電磁鐵吸力特性。進(jìn)行仿真分析時(shí),將斷磁厚度從0～3 mm每隔0.5 mm取一個(gè)值。

不同斷磁厚度下的行程-吸力曲線如圖6所示。

圖6 不同斷磁厚度的行程-吸力曲線

由圖6可知:當(dāng)工作氣隙較小時(shí),斷磁厚度對(duì)吸力的影響很小;當(dāng)工作氣隙較大時(shí),斷磁厚度對(duì)吸力的影響較大,這是由于磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化導(dǎo)致各部分磁阻的大小關(guān)系發(fā)生變化。

根據(jù)磁場(chǎng)原理及磁性材料特性分析可知:工作氣隙較小時(shí),氣隙附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度很大,最大超過(guò)2 T,導(dǎo)磁材料達(dá)到磁飽和狀態(tài),此時(shí)鐵磁材料的磁導(dǎo)率會(huì)減小許多,鐵磁磁阻急劇增大,甚至超過(guò)斷磁磁阻大小,從而使斷磁磁阻的影響較小;工作氣隙較大時(shí),氣隙附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度很小,例如工作氣隙為3 mm時(shí)僅為0.7 T左右,此時(shí)鐵磁磁阻較小,斷磁磁阻和氣隙磁阻大小相當(dāng),都比鐵磁磁阻大很多,從而使斷磁磁阻對(duì)電磁吸力的影響比較大。

因此,若銜鐵外殼為完全不導(dǎo)磁材料,要根據(jù)最大工作氣隙選擇不導(dǎo)磁材料厚度—斷磁厚度,斷磁厚度超過(guò)最大工作氣隙,吸力會(huì)減小50%以上。故斷磁厚度要盡可能地小于最大工作氣隙,而且越小越好。

2.3 吸合面錐角的影響與改進(jìn)

吸合面錐角影響氣隙磁阻的大小,從而影響電磁力大小。銜鐵吸合面錐角仿真分析模型及參數(shù)如圖7所示。

圖7 銜鐵吸合面錐角仿真分析模型及參數(shù)

由圖7(b)中的幾何關(guān)系可知:

(5)

吸合面錐角結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表1所示(將錐角超過(guò)軸線的模型剔除)。

表1 吸合面錐角結(jié)構(gòu)參數(shù)取值表

筆者在3 mm工作氣隙下進(jìn)行仿真分析,得到不同l、α和θ對(duì)電磁吸力的影響圖，如圖8所示。

深度軸l-θ表示l和θ不同組合參數(shù)對(duì)吸力的影響。

由圖8可知:θ取值為60°～70°,a取值為0.6 mm～1 mm,l取值為3 mm～4 mm時(shí),吸力較大。

圖8 不同l、a和θ對(duì)電磁吸力的影響

為進(jìn)一步研究a超過(guò)1 mm時(shí)其對(duì)吸力的影響,筆者在l取3 mm～4 mm,θ取60°～70°的情況下,研究a取值為0～2 mm時(shí)的吸力大小。

a對(duì)吸力的影響圖如圖9所示。

圖9 a對(duì)吸力的影響圖

由圖9可知:a取值范圍在0.6 mm～1.4 mm時(shí)吸力較大,均大于32 N。

綜上所述,可以確定使得吸力最大的銜鐵吸合面錐角參數(shù)范圍為:l取3 mm～4 mm,θ取60°～70°,a取0.6 mm～1.4 mm。

接下來(lái),筆者選取上述范圍內(nèi)某一模型,研究有無(wú)銜鐵吸合面錐角對(duì)電磁鐵行程力特性的影響。

有無(wú)錐角行程力曲線對(duì)比如圖10所示。

圖10 有無(wú)錐角行程力曲線對(duì)比

由圖10可知:錐面可以明顯改善銜鐵完全吸合時(shí)吸力急劇上升的現(xiàn)象,有利于閥芯的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，并且增大了氣隙較大時(shí)的吸力,保證電磁閥的正常工作。

2.4 隔磁環(huán)的影響與改進(jìn)

隔磁環(huán)是電磁鐵組件中的重要部分,其保證了磁力線通過(guò)氣隙和銜鐵,形成完整的磁回路,避免造成磁力線的“短路”現(xiàn)象。隔磁環(huán)厚度是可能影響電磁吸力的因素。此外,將隔磁環(huán)材料換成導(dǎo)磁材料,可以定量研究有無(wú)隔磁環(huán)對(duì)吸力的影響。

隔磁環(huán)仿真分析模型建立在吸合面有錐角的基礎(chǔ)上,隔磁環(huán)仿真分析模型及仿真結(jié)果如圖11所示。

由圖11(b)可知:隔磁環(huán)厚度的變化對(duì)吸力幾乎沒(méi)有影響。這是因?yàn)楦舸怒h(huán)的厚度對(duì)磁回路的長(zhǎng)度和整體磁阻的影響很小,對(duì)吸力的影響很小;

由圖11(c)可知:在銜鐵有錐角的情況下,隔磁環(huán)對(duì)吸力的增加很明顯;沒(méi)有隔磁環(huán)會(huì)使電磁吸力減小了約30%。

圖11 隔磁環(huán)仿真分析模型及仿真結(jié)果

3 綜合改進(jìn)模型及分析

綜合上述結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析,筆者在原模型圖3(a)的基礎(chǔ)上修改吸合面錐角參數(shù)為:l取4 mm,θ取60°,a取0.6 mm,修改線圈外殼厚度為1 mm,然后對(duì)此進(jìn)行仿真研究,并對(duì)比兩者的行程力曲線。

綜合結(jié)構(gòu)改進(jìn)模型及仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 綜合結(jié)構(gòu)改進(jìn)模型及仿真結(jié)果

由圖12(b)可以看出:改進(jìn)后的模型使最大工作氣隙時(shí)的吸力增大了約30%,更有利于滿足換向功能;而且在吸合過(guò)程中,吸力明顯增長(zhǎng)得更加緩慢,吸合時(shí)吸力減小了約50%,緩解了吸合過(guò)程中吸力急劇增加的現(xiàn)象,使閥芯換向運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。

為分析結(jié)構(gòu)改進(jìn)與原模型的磁場(chǎng)分布特性,筆者通過(guò)仿真得到了兩者的磁力線分布。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的磁力線分布如圖13所示。

由圖13可知:原模型漏磁比較多,磁力線在氣隙處也不夠多;改進(jìn)后模型漏磁磁力線明顯減少,而且磁力線大部分集中在錐形吸合面。以上結(jié)果說(shuō)明,結(jié)構(gòu)改進(jìn)后更有利于改善氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁力線分布,證明了其結(jié)構(gòu)改進(jìn)的合理性。

4 結(jié)束語(yǔ)

電磁鐵組件是影響螺紋插裝電磁閥性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一,筆者基于有限元分析模型,仿真研究了影響電磁鐵吸力特性的部分結(jié)構(gòu)參數(shù),包括線圈外殼厚度、斷磁厚度、銜鐵吸合錐角和隔磁環(huán)。研究結(jié)果表明:

(1)在線圈外殼盡可能輕的情況下,要保證最薄處的厚度大于1 mm,否則會(huì)使電磁力有很明顯的減小;

(2)若需要斷磁結(jié)構(gòu),斷磁厚度要盡可能地小于最大工作氣隙,而且越小越好,超過(guò)最大工作氣隙時(shí),吸力會(huì)減小了50%以上;

(3)銜鐵吸合面錐角有利于改善銜鐵完全吸合時(shí)吸力急劇上升的狀況,綜合考慮各種結(jié)構(gòu)參數(shù),筆者給出了使得吸力較大時(shí)的參數(shù)范圍;

(4)隔磁環(huán)厚度對(duì)電磁吸力特性影響微小;有無(wú)隔磁環(huán)對(duì)電磁吸力的影響很大,沒(méi)有隔磁環(huán)電磁吸力減小了約30%。

基于以上的改進(jìn)措施,筆者提出了綜合改進(jìn)模型,使電磁換向閥獲得了更好的換向能力和更平穩(wěn)的換向運(yùn)動(dòng)特性。

在后續(xù)的研究中,筆者將對(duì)改進(jìn)后的電磁換向閥進(jìn)行實(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證,并與仿真研究的結(jié)果作比較。