基于非晶铁芯的高速开关电磁阀的特性研究.pdf

基 于 非 晶 铁 芯 的 高 速 开 关 电磁 阀 的 特 性 研 究 口李增书 口金健 口张国贤 上海大学 机电工程 与 自动化学 院 上海2 0 0 0 7 2 摘 要 对高速 开关电磁 阀进行 了结构建模 和磁路 分析 ， 并建立 了其数 学模 型 ， 利 用 MA T L A B和 A N S Y S软件 对上述 模 型进行仿 真。分别对采 用普通纯铁 和非晶材料作 为铁 芯的 电磁铁进行特性仿真 ． 得 出非 晶铁芯对于提高高速开关电磁 阀性 能的优 势， 为提 高高速 开关电磁 阀性能有一定的意义。 关 键 词 电磁 阀电磁 铁非 晶铁 芯电磁 仿 真 中图分类号 T P 2 1 1 ． 5 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 4 0 9 0 0 4 0 0 3 近 年 来 随 着 控 制 技 术 的 不 断 进 步 ．高 速 开 关 电 磁 阀 的 需 求 在 急 剧 上 升 ， 同 时 对 响 应 快 、 抗 污 染 力 强 、 成 本 低 廉 的 电液 气 控 制 系 统 的 需 求 也 越 来 越 大 ， 特 别 是 汽 车 和 电 气 工 业 的 发 展 更 加 速 了 这 种 需 求 高 速 开 关 电 磁 阀 直 接 受 开 关 信 号 的 控 制 ．能 够 很 方 便 地 与 计 算 机 进 行 连 接 ． 由此 大 大 提 高 了 控 制 的便 捷 性 。 高 速 电 磁 阀具 有 结 构 简 单 、 工 艺 性 好 、 工 作 可 靠 、 能 耗 低 、 重 复 精 度 高 等 优 点 ⋯． 因 此 发 展 这 种 电 子 元 件 是 工 业 现 代 化 发 展 的 迫 切 需 要 一 般 来 说 ． 高 速 开 关 电 磁 阀 的 响 应 特 性 是 由开 、 关 的 延 迟 时 间 和 阀 芯 相 对 移 动 时 间 来 描 述 的 ． 研 究 其 快 速 响 应 特 性 在 工 程 中 具 有 重 要 意 义 。影 响 高 速 开 关 电 磁 阀 的 响 应 特 性 的 主 要 因 素 有 电磁 阀 结 构 、 软 磁 体 材 料 、 驱 动 电 压 、 载 荷 、 行 程 、 线 圈 匝 数 等 [ 2 ] 。 笔 者 在 对 电 磁 阀 结 构 进 行 优 化 的 基 础 上 ． 探 索 新 型 软 磁 体 材 料 在 高 速 开 关 电 磁 阀 中 的 应 用 ． 从 而 对 提 高 高 速 开 关 电 磁 阀 的 响 应 速 度 进 行 研 究 。 1 电磁铁 的磁路分 析 1 ． 1等 效 磁 路 的 分 析 电 磁 铁 的 基 本 结 构 如 图 1所 示 ．根 据 电 磁 铁 的 结 构 可 以 得 出 电 磁 铁 的 等 效 磁 路 图 图 2 ， 图 中 为 等 效 磁 路 中各 段 导 磁 体 的 等 效 磁 阻 ， 尺 为 气 隙 磁 阻 ，R 为 气 隙 漏 磁 阻 _ 3 ， R 为 线 圈 磁 阻 ， 为 等 效 磁 动 势 。 1 ． 2集 中 参 数 法 对 电 磁 铁 磁 路 进 行 计 算 轴 向磁 阻 和 径 向 磁 阻 分 别 为 1 R d ， l n 2 式 中 为 沿 磁 通 量 方 向 的 路 径 长 度 ， m ； r i 为 导 磁 体 的 内 半 径 如 果 实 心 导 磁 体 则 r i O ； 为 导 磁 体 高 度 ， m； 收稿 日期 2 0 1 4年 3月 2 0 1 4 ／ 9 绝 对 磁 导 率 B／ H ， 曰 为 磁 感 应 强 度 ， T； H 为 磁 场 强 度 ， A／ m ； A 为 磁 通 量 穿 过 的 垂 直 截 面 面 积 ， m2 ； r为 沿 磁 感 线 方 向 的 径 向 距 离 ， r n ； F O 为 导 磁 体 的 外 半 径 ， m。 磁 导 P是 磁 阻 的倒 数 1 ／ R 3 等 效 电 磁 回 路 总 磁 阻 为 R R 幻 R 二 二 二 二 二 二 二 二1 二 二 二 二 二 ‘ 4 R0 l R I 2 R5 6 P g 。⋯⋯ 式 中 为 气 隙 磁 导 ； 为 气 隙 周 围 漏 磁 通 区 域 的 磁 导 ； R 为 m、 n ml ， 2， 3， ⋯ ； n l ， 2， 3， ⋯ 两 节 点 之 间 的 磁 阻 ； R 为 线 圈 磁 导 ； 、 为 衔 铁 位 移 的 函 数 。 若 不 考 虑 磁 饱 和 现 象 ， 电 磁 回 路 总 电 感 L 为 5 根 据 电 路 理 论 可 得 电 压 平 衡 方 程 为 “ iR c L 誓 6 式 中 Ⅳ 为 线 圈 匝 数 为 电 压 ；i为 线 圈 中 的 励 磁 电 流 ； 为 线 圈 电 阻 。 根 据 以 上 各 式 ． 使 用 MAT L AB软 件 对 电磁 铁 磁 导 率 和 电 感 进 行 计 算 ． 结 果 如 图 3和 图 4所 示 。 从 图 3、 图 4 中 可 以 看 出 ． 相 同 位 移 下 非 晶 铁 芯 的 磁 导 率 和 电 感 较 高 ． 较 高 的 磁 导 率 和 电 感 有利 于 电 能 机械制造5 2卷 第 6 0 1 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 转 化 为 磁 能 ． 能 够 提 高 电 磁 铁 的 响 应 特 性 和 电磁 力 而 电 感 的 提 高 也 会 降 低 电 磁 铁 线 圈 中 电 流 的 增 加 速 度 ． 对 于 高 速 开 关 电 磁 铁 的 响 应 特 性 有 负 面 影 响 ．所 以 对 于非 晶铁 芯 在 电 磁 铁 中 的 应 用 是 否 能 真 正 提 高 电 磁 铁 的 特 性 值 得 研 究 2电磁 阀的 电磁铁仿真分 析 本 文 分 别 使 用 S i mu l i n k和 ANS YS对 高 速 开 关 电 磁 铁 模 型 进 行 了 仿 真 。 2． 1 电 磁 铁 的 Si mu l i nk仿 真 2 ． 1 ． 1 电 磁 铁 电 磁 吸 力 F m i 7 式 中 为 衔 铁 位 移 。 2 ． 1 ． 2衔 铁 运 动 学 方 程 阻 力 方 程 是 流 体 力 学 中 计 算 物 体 在 流 体 中 运 动 所 受 到 阻 力 的 方 程 式 ． 由 于 高 速 开 关 电 磁 阀 衔 铁 作 瞬 时 高 速 运 动 ． 所 以 衔 铁 运 动 阻 尼 力 为 1 F D C D D 8 式 中 P为 流 体 密 度 是 流 体 相 对 物 体 的 速 度 ； C。为 阻 力 系 数 ； D 为 衔 铁 参 考 面 积 根 据 牛 顿 第 二 定 律 ． 可 以 建 立 电磁 阀 衔 铁 的 机 械 运 动 模 型 F ’ r 一 K 9 式 中 ，为 电 磁 铁 衔 铁 的 输 出力 m为 电 磁 阀 运 动 部 分 的 质 量 ； 为 电 磁 吸 力 ； 为 衔 铁 运 动 摩 擦 力 ； 为 弹 簧 弹 性 系 数 为 弹 簧 预 压 缩 量 [ s 一 根 据 电 磁 铁 的 电 磁 力 和 机 械 运 动 模 型 ． 使 用S i mU l i n k软 件 根 据 磁 路 的 数 学 模 型 分 别 对 非 晶 铁 芯 和 纯 铁 铁 芯 的 电 磁 铁 进 行 磁 导 和 电 感 计 算 ． S i mu l i n k仿 真 系 统 模 型 如 图 5所 示 。 在 S i mu l i n k仿 真 模 型 中设 置 参 数 电 源 电 压 1 2 v； 初 始 状 态 i O， x O， 0， ／ ． t o 4 xl 0 H／ m； 衔 铁 位 2 1 ／ 移 最 大 值 为 s 3 mm； m 2 k g； 线 圈 电 阻 R 5 Q 。 仿 真 结 果 如 图 6 ～图 8所 示 由 图 6和 图 7可 以 看 出 ．采 用 非 晶 材 料 的 电 磁 铁 不 论 在 响 应 时 间 方 面 还 是 在 输 出 电磁 力 方 面 都 要 比 采 用 普 通 纯 铁 铁 芯 的 电 磁 铁 有 所 提 高 ．从 图 8电 流 响 应 曲 线 可 以 看 出 ．非 晶 铁 芯 的 电 磁 阀 电 流 响 应 要 比 纯 铁 铁 芯 的 响 应 时 间 提 前 ．也 反 映 出 非 晶 铁 芯 电 磁 铁 的 响 应 速 度 更 快 2 ． 2 使 用 ANS YS对 电磁 铁 进 行 有 限 元 分 析 ANS YS是 目前 C AE 的 主 流 分 析 软 件 之 一 ． 本 文 利 机 械 制 造 5 2 卷 第 6 0 1 期 2 0 1 4 ／ 9 回 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m