徐純潔,謝方偉,2,凡镕瑞,魏汝路,田祖織,2

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,221116,江蘇徐州;2. 中國礦業(yè)大學(xué)礦山智能采掘裝備省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,221116,江蘇徐州)

液壓閥是實(shí)現(xiàn)電液系統(tǒng)控制功能的關(guān)鍵元件,其性能直接影響設(shè)備的系統(tǒng)特性與工作效率。長期以來,學(xué)者們一直致力于提高液壓閥的響應(yīng)、可靠性與控制精度。隨著計(jì)算機(jī)與微電子技術(shù)的迅猛進(jìn)步,以數(shù)字化為核心的智能化正逐漸成為液壓閥發(fā)展的又一新方向[1]。

高速開關(guān)閥是數(shù)字液壓技術(shù)的典型代表,其結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活。不同于傳統(tǒng)伺服比例閥,高速開關(guān)閥將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)離散的流量信號,并通過脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)實(shí)現(xiàn)比擬連續(xù)流體的控制效果[2]。卓越的響應(yīng)特性和較強(qiáng)的抗污染能力讓高速開關(guān)閥廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車機(jī)床、工程機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域[3]。為提高高速開關(guān)閥的響應(yīng)并改善其動(dòng)態(tài)特性,學(xué)者們已在閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化[4-6]、控制策略創(chuàng)新[7-9]等方面開展了大量研究工作。電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器作為驅(qū)動(dòng)高速開關(guān)閥閥芯啟閉的關(guān)鍵部件,其響應(yīng)速度也是影響高速開關(guān)閥性能的重要因素。目前,常見的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器有高速開關(guān)電磁鐵[10]、音圈電機(jī)[11],而超磁致伸縮材料[12-13]、壓電晶體材料[14-15]等新興功能材料的應(yīng)用更是拓寬了高速開關(guān)閥電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的發(fā)展方向。

相較于其他幾種電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器,高速開關(guān)電磁鐵具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的獨(dú)特優(yōu)勢。因此,如何進(jìn)一步提高電磁鐵性能一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。Wu等[16]創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種空心柱塞式螺線管,并采用多目標(biāo)粒子群算法對電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),顯著改善了高速開關(guān)閥的響應(yīng)時(shí)間、尺寸及熱性能。Yang等[17-18]提出了一種彈簧置頂?shù)男滦碗姶盆F結(jié)構(gòu),仿真分析了電磁截面積、殼體材料等參數(shù)對高速開關(guān)閥電磁力的影響規(guī)律,并對其動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。劉鈺棟等[19-20]從結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)形式等方面對高速開關(guān)閥電磁鐵進(jìn)行了特性分析,提出采用軟磁復(fù)合材料和圓柱疊片式電磁鐵的優(yōu)化方案。陳淑梅等[21]建立了耦合磁滯的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器模型,通過仿真獲得了關(guān)鍵參數(shù)對轉(zhuǎn)換器頻響的影響規(guī)律。李娜娜等[22]對影響高速開關(guān)閥響應(yīng)特性的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了主次分析,研究發(fā)現(xiàn)線圈匝數(shù)對響應(yīng)速度的影響最大。

上述研究主要集中在電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析與優(yōu)化方面,其本質(zhì)是從形狀、尺寸、材料等方面改善磁場強(qiáng)度、分布與穩(wěn)定性,進(jìn)而提升電磁鐵的性能。線圈作為電生磁的基礎(chǔ),其結(jié)構(gòu)形式也是影響磁場特性的重要因素。Ashigwuike等[23]采用堆疊式線圈構(gòu)型提高了執(zhí)行器電磁力的大小。Kong和Li[24]提出一種電磁鐵平行線圈方案,有效降低了高速開關(guān)電磁閥的遲滯時(shí)間與啟閉時(shí)間。Aslam等[25-26]在優(yōu)化可變氣門機(jī)構(gòu)電磁驅(qū)動(dòng)器的過程中,采用繞組電感較小的內(nèi)外組合并聯(lián)線圈方案,在提升電磁力的同時(shí)降低了能耗。

探索新的線圈構(gòu)型為提升電磁鐵性能提供了新的設(shè)計(jì)思路,然而,現(xiàn)有研究缺少有效的橫向?qū)Ρ?因此難以確定不同線圈構(gòu)型中的優(yōu)選方案。為此,本文在不改變電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下調(diào)整線圈布置形式,考慮不同線圈構(gòu)型下的電場、磁場特性因素,采用電磁仿真軟件分析研究了不同線圈構(gòu)型對電磁鐵以及高速開關(guān)閥性能的影響規(guī)律,為改善高速開關(guān)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性提供了有益參考。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

本文以課題組設(shè)計(jì)的二位二通高速開關(guān)閥為研究對象,該高速開關(guān)閥在3.5 MPa壓差工況下流量能達(dá)到2 L/min,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)線圈受到電壓激勵(lì)時(shí),動(dòng)鐵芯便會(huì)在電磁力的作用下向上運(yùn)動(dòng),此時(shí)閥芯打開,進(jìn)油口P與出油口T貫通,高速開關(guān)閥處于開啟狀態(tài);當(dāng)線圈激勵(lì)電壓切斷時(shí),電磁力逐漸衰退,壓緊彈簧推動(dòng)動(dòng)鐵芯向下運(yùn)動(dòng),此時(shí)閥芯閉合,高速開關(guān)閥處于關(guān)斷狀態(tài)。

(a)三維模型

線圈一般由漆包線纏繞于線圈骨架之上,并與動(dòng)、靜鐵芯等共同構(gòu)成電磁鐵。目前,常見電磁鐵使用的均為單一線圈。若將單一線圈劃分為若干份并聯(lián)接入電路,同樣可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)的效果。對于多個(gè)線圈并聯(lián)接入的形式,又可以進(jìn)一步劃分為上下堆疊式和內(nèi)外嵌套式,其構(gòu)型如圖2所示。

(a)單一

2 數(shù)學(xué)模型

高速開關(guān)閥閥芯運(yùn)動(dòng)是電壓激勵(lì)轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能的結(jié)果,該過程涉及流場、機(jī)械場、電磁場的多場耦合作用,因此,其數(shù)學(xué)模型的建立需同時(shí)考慮上述多個(gè)物理場。

2.1 流場模型

高速開關(guān)閥的流量壓力方程可表示為

(1)

式中:Cd為流量系數(shù);A為過流面積;Δp為進(jìn)、出口壓差;ρ為油液密度。

在閥芯的運(yùn)動(dòng)過程中,油液方向與速度的改變會(huì)導(dǎo)致其動(dòng)量發(fā)生變化,進(jìn)而形成液動(dòng)力。作用在閥芯上的液動(dòng)力可表示為

Fd=Fds+Fdt=

(2)

式中:Fds為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力;Fdt為瞬態(tài)液動(dòng)力;Cv為流速系數(shù);θ為射流角;w為閥口梯度;Ld為油液阻尼長度;x為閥芯位移。

2.2 機(jī)械模型

結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理可知,高速開關(guān)閥啟閉過程中,運(yùn)動(dòng)部件受電磁力、液壓力、液動(dòng)力、彈簧力及阻尼力的共同作用,因此其動(dòng)力學(xué)方程可表示為

(3)

式中:m為運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量;Fe為電磁力;Fp為液壓力;Fd為液動(dòng)力;Fk為彈簧力;Ff為阻尼力。

當(dāng)閥芯即將開啟但初始位移為零時(shí),電磁力的臨界值應(yīng)大于液壓力、液動(dòng)力、彈力及阻尼力的合力。為簡化模型,忽略液動(dòng)力與阻尼力的影響,電磁力的臨界值Fec可由初始液壓力Fp0(驅(qū)動(dòng)力)與初始彈簧力Fk0(阻力)的合力確定,表達(dá)式如下

Fec=Fp0-Fk0=piAi-kx0

(4)

式中:pi為進(jìn)口壓力;Ai為進(jìn)口截面積;k為壓緊彈簧剛度系數(shù);x0為壓緊彈簧的預(yù)壓縮量。

2.3 電磁場模型

根據(jù)基爾霍夫定律,高速開關(guān)閥的電路模型可表示為

(5)

式中:U為激勵(lì)電壓;R為等效電阻;I為線圈電流;L為等效電感。

高速開關(guān)閥的磁路模型可表示為

(6)

式中:N為線圈匝數(shù);Φ為總磁通量;Rt為總磁阻;λ為與邊緣磁通泄露量有關(guān)的常量;μ0為空氣導(dǎo)磁率;S為氣隙橫截面積。

將式(4)代入式(6),可得閥芯開啟的臨界電流為

(7)

在閥芯開始運(yùn)動(dòng)之前,線圈的等效電阻與等效電感保持不變,因此這一瞬態(tài)過程的電流[2]可進(jìn)一步表示為

(8)

式中:I0為線圈的初始電流。

高速開關(guān)閥開閥的遲滯時(shí)間[24]可表示為

(9)

在不改變線圈匝數(shù)的條件下,將單一線圈劃分成匝數(shù)相等的n等份子線圈,然后并聯(lián)接入驅(qū)動(dòng)電路,此時(shí)電路的等效電阻R′與等效電感L′分別為

(10)

此時(shí),線圈并聯(lián)構(gòu)型下的瞬態(tài)電流I′與遲滯時(shí)間t′d可分別表示為

(11)

(12)

結(jié)合式(9)、式(12)可以看出,高速開關(guān)閥開閥的遲滯時(shí)間與機(jī)械結(jié)構(gòu)、流場、電磁場等參數(shù)密切相關(guān)。假定電磁鐵線圈初始電流為零,在不改變其他參數(shù)的條件下,將單一線圈劃分為多個(gè)線圈,能夠降低開閥的遲滯時(shí)間,提高高速開關(guān)閥的響應(yīng)。

3 有限元仿真模型

為分析電磁鐵線圈構(gòu)型對高速開關(guān)閥動(dòng)態(tài)特性的影響,驗(yàn)證并聯(lián)線圈構(gòu)型能夠降低開閥遲滯時(shí)間,本文采用ANSYS Electronics電磁仿真軟件中的Maxwell 2D模塊進(jìn)行高速開關(guān)閥瞬態(tài)仿真。仿真模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。仿真過程中,并聯(lián)線圈構(gòu)型的子線圈數(shù)設(shè)置為n=2。

表1 仿真模型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Key structural parameters in simulation model

3.1 模型建立

在對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化的基礎(chǔ)上,充分考慮到高速開關(guān)閥的軸對稱性與仿真計(jì)算效率,建立3種線圈構(gòu)型下的有限元仿真模型,如圖3所示。

(a)構(gòu)型1

圖3中,構(gòu)型1對應(yīng)典型單一線圈構(gòu)型,構(gòu)型2與構(gòu)型3對應(yīng)并聯(lián)線圈構(gòu)型,其中構(gòu)型2采用上下疊加方式對兩組子線圈A、B進(jìn)行并聯(lián),構(gòu)型3采用內(nèi)外嵌套方式對兩組子線圈C、D進(jìn)行并聯(lián)。

3.2 求解設(shè)置

首先,對仿真模型中的各個(gè)零件進(jìn)行定義,并根據(jù)表2添加材料屬性。由于動(dòng)鐵芯為運(yùn)動(dòng)部件,需在模型中設(shè)置能夠包圍整個(gè)動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)過程的運(yùn)動(dòng)域,如圖4(a)所示。同時(shí)考慮到機(jī)械特性,在運(yùn)動(dòng)設(shè)置中定義運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量,除動(dòng)鐵芯之外還包括仿真模型中未顯示的閥芯與推桿的質(zhì)量。忽略液動(dòng)力及阻力的影響,根據(jù)式(3)對負(fù)載力進(jìn)行賦值。其次,設(shè)置仿真求解域并添加氣球邊界條件。然后,根據(jù)線圈構(gòu)型的不同添加激勵(lì),其中構(gòu)型1設(shè)置1根繞組,匝數(shù)為1 800;構(gòu)型2與構(gòu)型3設(shè)置2根繞組,每根匝數(shù)為900。3種線圈構(gòu)型下的繞組均采用Maxwell Circuit模塊搭建的外電路進(jìn)行控制,如圖4(b)所示。接著,對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為提高計(jì)算精度,對運(yùn)動(dòng)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。最后,針對電磁鐵空載吸合以及高速開關(guān)閥啟閉兩種工況,定義不同的外電路激勵(lì)電壓,并設(shè)定合適的時(shí)長與步長完成仿真模擬。

表2 仿真模型關(guān)鍵零件材料屬性Table 2 Material properties of key parts in simulation model

(a)運(yùn)動(dòng)設(shè)置

4 仿真結(jié)果分析

4.1 電磁鐵吸合特性

在不考慮動(dòng)鐵芯負(fù)載力的情況下,設(shè)置外部電路激勵(lì)電壓為24 V,模擬電磁鐵空載狀態(tài)下的吸合運(yùn)動(dòng)。圖5所示為不同時(shí)刻3種線圈構(gòu)型下,電磁鐵吸合過程的磁場強(qiáng)度云圖。由圖可見,對于同一線圈構(gòu)型的電磁鐵,隨著時(shí)間的推移,動(dòng)鐵芯、靜鐵芯、導(dǎo)磁環(huán)以及殼體逐漸由內(nèi)向外磁化,磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷增加,且氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯高于其他位置,動(dòng)鐵芯在電磁力的作用下向靜鐵芯方向吸合。對比不同線圈構(gòu)型可以看出,同一時(shí)刻下并聯(lián)線圈構(gòu)型氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度要明顯高于單一線圈構(gòu)型,且構(gòu)型2氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度略微高于構(gòu)型3。磁感應(yīng)強(qiáng)度的差異導(dǎo)致電磁鐵電磁力的差異,進(jìn)而呈現(xiàn)出構(gòu)型2動(dòng)鐵芯最先吸合、構(gòu)型1動(dòng)鐵芯最后吸合的現(xiàn)象。

圖5 不同線圈構(gòu)型下電磁鐵動(dòng)態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig.5 Dynamic magnetic induction intensity cloud diagram of electromagnet under different coil configurations

為定量對比分析3種線圈構(gòu)型下電磁鐵吸合過程的差異,提取仿真過程中電流、電感、電磁力等電磁特性參數(shù)及動(dòng)鐵芯位移、速度等運(yùn)動(dòng)特性參數(shù),分別繪制了不同線圈構(gòu)型下電磁鐵吸合過程的動(dòng)態(tài)特性曲線及電感特性曲線,如圖6、圖7所示。

(a)電流-位移變化曲線

圖7 不同線圈構(gòu)型下電磁鐵電感特性的對比Fig.7 Comparison of inductance characteristics of electromagnet under different coil configurations

圖6(a)所示為電磁鐵吸合過程中,位移、電流隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出,當(dāng)線圈受到電壓激勵(lì)時(shí),電流呈現(xiàn)指數(shù)形式上升,一旦大于臨界電流,動(dòng)鐵芯便開始運(yùn)動(dòng)。由于線圈存在電感,動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了電感變化進(jìn)而引起反電動(dòng)勢,這是造成線圈電流出現(xiàn)暫短下降的原因。當(dāng)動(dòng)鐵芯完全吸合后,線圈中的電流會(huì)繼續(xù)緩慢上升。對比3種線圈構(gòu)型可知,同一時(shí)刻下并聯(lián)線圈構(gòu)型下的電流要大于單一線圈下的電流。在保持電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)及電氣參數(shù)不變的情況下,并聯(lián)線圈構(gòu)型降低了電路的等效電阻,因此構(gòu)型2與構(gòu)型3的線圈電流大于構(gòu)型1的線圈電流。從動(dòng)鐵芯位移來看,線圈構(gòu)型1下電磁鐵的吸合時(shí)間為2.59 ms,而線圈構(gòu)型2與線圈構(gòu)型3下的電磁鐵吸合時(shí)間分別為1.68、1.69 ms,降幅分別為35.1%、34.7%,這表明并聯(lián)線圈構(gòu)型能夠顯著提高電磁鐵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及縮短吸合時(shí)間。根據(jù)式(10)可知,在相同的線圈并聯(lián)數(shù)下,疊加與嵌套兩種構(gòu)型理論的等效電阻與等效電感相同,因此這兩種線圈構(gòu)型下仿真得到的電流曲線幾乎重合,構(gòu)型2與構(gòu)型3下電磁鐵吸合時(shí)間僅存在微小差異。

圖6(b)所示為電磁鐵吸合過程中,電磁力、動(dòng)鐵芯速度隨時(shí)間的變化曲線。可以看出,同一時(shí)刻下并聯(lián)線圈構(gòu)型的電磁力要大于單一線圈構(gòu)型,這是并聯(lián)線圈電流更大所導(dǎo)致的。較大的電磁力致使相同時(shí)刻動(dòng)鐵芯具有更大的速度與加速度,因此,并聯(lián)線圈構(gòu)型下電磁鐵的吸合時(shí)間小于單一線圈構(gòu)型。

不同線圈構(gòu)型下,電磁鐵吸合過程中電感的變化情況如圖7所示?？梢钥闯?3種線圈構(gòu)型下,構(gòu)型1的電感及變化范圍最大,而構(gòu)型2與構(gòu)型3的電感相對要小很多,兩者電感的變化范圍約是構(gòu)型1的1/4,與理論值基本保持一致。對于給定的激勵(lì)電壓,電感增加會(huì)導(dǎo)致線圈內(nèi)電流變化速率減緩,由于整個(gè)吸合過程時(shí)間較短,線圈內(nèi)的電流還未達(dá)到穩(wěn)態(tài),較小的電感使得同一時(shí)間內(nèi)并聯(lián)線圈電流的上升比單一線圈更快,最終呈現(xiàn)出同一時(shí)刻下構(gòu)型2與構(gòu)型3的線圈電流大于構(gòu)型1線圈電流的現(xiàn)象。由此可以看出,疊加與嵌套這兩種電感小、電流上升更快的構(gòu)型能使電磁鐵具有更好的響應(yīng)特性。

4.2 高速開關(guān)閥啟閉特性

為更好地評價(jià)高速開關(guān)閥的啟閉特性,引入4個(gè)量化指標(biāo):開啟延遲時(shí)間tdo、開啟時(shí)間to、關(guān)閉延遲時(shí)間tdf以及關(guān)閉時(shí)間tf,其中開啟延遲時(shí)間tdo與開啟時(shí)間to之和即為高速開關(guān)閥的響應(yīng)時(shí)間。

在運(yùn)動(dòng)設(shè)置中對動(dòng)鐵芯添加負(fù)載力表達(dá)式,并將外電路設(shè)置成激勵(lì)周期為0.20 s、脈沖寬度為0.05 s、幅值為24 V的脈沖電壓,模擬單電壓驅(qū)動(dòng)下的高速開關(guān)閥啟閉過程。

圖8所示為構(gòu)型1下高速開關(guān)閥啟閉過程動(dòng)鐵芯位移以及電流隨時(shí)間的變化曲線。由圖可見,0.15 s 時(shí)獲得電壓激勵(lì)后,線圈電流開始逐漸上升,大約在8.64 ms后動(dòng)鐵芯開始移動(dòng),此過程中電流下降,經(jīng)過2.54 ms之后高速開關(guān)閥完全開啟,此后電流繼續(xù)上升直至穩(wěn)態(tài)。0.20 s時(shí)電壓激勵(lì)消失,由于存在退磁過程,此時(shí)線圈電流緩慢減小,大約在48.69 ms后電磁力小于負(fù)載合力,動(dòng)鐵芯開始脫離靜鐵芯,高速開關(guān)閥在3.02 ms之后完全關(guān)閉。

(a)電流-位移變化曲線

圖9所示為構(gòu)型2下高速開關(guān)閥啟閉過程動(dòng)鐵芯位移以及電流隨時(shí)間的變化曲線。由圖可見,當(dāng)0.15 s時(shí)受到電壓激勵(lì)后,線圈電流開始上升,且上升速度要略快于構(gòu)型1中線圈電流的上升速度,3.85 ms 后動(dòng)鐵芯開始運(yùn)動(dòng)并經(jīng)過1.27 ms完全開啟。0.2 s時(shí),電壓激勵(lì)消失,動(dòng)鐵芯大約滯后48.97 ms 開始復(fù)位,2.96 ms之后高速開關(guān)閥完全關(guān)閉。與構(gòu)型1相似,在動(dòng)鐵芯復(fù)位的過程中電流會(huì)出現(xiàn)短暫上升,這也是由于線圈電感的存在導(dǎo)致動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生反電動(dòng)勢所造成的。相比構(gòu)型1,構(gòu)型2下高速開關(guān)閥開啟延遲時(shí)間減小了4.79 ms,減幅達(dá)55.4%,關(guān)閉延遲時(shí)間幾乎不變,但從單位時(shí)間內(nèi)的電流變化幅值來看,構(gòu)型2因電感值較小,其電流下降速率更快。此外,構(gòu)型變化也一定程度縮短了高速開關(guān)閥啟閉運(yùn)動(dòng)過程閥芯吸合與復(fù)位的時(shí)間,與構(gòu)型1相比,構(gòu)型2的開啟時(shí)間減幅為50.0%,關(guān)閉時(shí)間減幅為2.0%。

(a)電流-位移變化曲線

圖10所示為構(gòu)型3下高速開關(guān)閥啟閉過程動(dòng)鐵芯位移以及電流隨時(shí)間的變化曲線。相較于構(gòu)型1,構(gòu)型3的開啟延遲時(shí)間降至3.87 ms,減幅達(dá)55.2%,開啟時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間分別縮減至1.27、2.99 ms,減幅分別為50.0%、1.0%,而關(guān)閉延遲時(shí)間同樣變動(dòng)較小。相較于構(gòu)型2,構(gòu)型3的位移及電流變化趨勢與構(gòu)型2基本一致,略有區(qū)別的是4個(gè)動(dòng)態(tài)特性量化評價(jià)指標(biāo)不同程度地略高于構(gòu)型2,這是兩種并聯(lián)線圈構(gòu)型下微小電感差異所導(dǎo)致的。

(a)電流-位移變化曲線

4.3 動(dòng)態(tài)性能綜合分析

相較于單一線圈構(gòu)型,疊加與嵌套兩種線圈構(gòu)型的本質(zhì)在于不改變槽滿率的前提下,通過多股并繞的方式減小支路匝數(shù)與阻抗,從而在增大電流的同時(shí)提高電磁力,降低響應(yīng)時(shí)間。然而,該方式會(huì)受限于能耗與散熱的影響,為更加綜合地評定線圈構(gòu)型對高速開關(guān)閥動(dòng)態(tài)特性的影響,對仿真過程中高速開關(guān)閥一個(gè)啟閉周期內(nèi)的特性參數(shù)進(jìn)行記錄,詳細(xì)對比結(jié)果如表3所示。

表3 不同線圈構(gòu)型下的特性參數(shù)對比Table 3 Comparison of characteristic parameters under different coil configurations

從響應(yīng)特性參數(shù)來看,構(gòu)型2與構(gòu)型3下的開閥延遲時(shí)間相較于構(gòu)型1明顯縮短,這說明采用并聯(lián)線圈構(gòu)型可有效改善高速開關(guān)閥的響應(yīng)特性,但疊加與嵌套兩種構(gòu)型方式在響應(yīng)時(shí)間上并未呈現(xiàn)出明顯差異。因此,結(jié)合電流密度、渦流損耗等能耗參數(shù)來看,在同一個(gè)啟閉周期內(nèi),構(gòu)型2較構(gòu)型3具有更低的能量損耗,從而發(fā)熱量更小。綜上分析,3種線圈構(gòu)型中,采用疊加并聯(lián)線圈構(gòu)型的高速開關(guān)閥會(huì)具有相對更優(yōu)的動(dòng)態(tài)特性。

5 結(jié) 論

本文在分析高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理的基礎(chǔ)上,以電磁鐵線圈構(gòu)型為切入點(diǎn),利用電磁仿真軟件構(gòu)建了高速開關(guān)閥電磁場瞬態(tài)仿真模型,在不改變電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)與電氣參數(shù)的情況下,對比分析了單一線圈、兩種并聯(lián)線圈構(gòu)型對電磁鐵吸合以及高速開關(guān)閥啟閉兩種工況動(dòng)態(tài)特性的影響,得到的主要結(jié)論如下。

(1)并聯(lián)線圈構(gòu)型能夠有效縮短電磁鐵的空載吸合時(shí)間。相較于單一線圈,疊加式線圈構(gòu)型電磁鐵的吸合時(shí)間縮短了0.91 ms,減幅達(dá)35.1%;嵌套式線圈構(gòu)型電磁鐵的吸合時(shí)間縮短了0.90 ms,減幅達(dá)34.7%。

(2)相較于單一線圈構(gòu)型,并聯(lián)線圈構(gòu)型可顯著縮短高速開關(guān)閥的開啟延遲時(shí)間,動(dòng)態(tài)響應(yīng)改善效果明顯。疊加式線圈構(gòu)型下高速開關(guān)閥的開啟延遲時(shí)間縮減了4.79 ms,減幅達(dá)55.4%;嵌套式線圈構(gòu)型下高速開關(guān)閥的開啟延遲時(shí)間縮減了4.77 ms,減幅達(dá)55.2%。

在后續(xù)的研究工作中,可在考慮磁熱耦合的基礎(chǔ)上,從多股線圈及其匝數(shù)分配方面進(jìn)一步探究并聯(lián)線圈構(gòu)型中的優(yōu)選方案,并開展試驗(yàn)研究驗(yàn)證方案的合理性。