高速开关电磁阀的性能分析及优化研究

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1、高速开关电磁阀的性能分析及优化研究张廷羽张国贤(上海大学机电工程与自动化学院上海200072)摘要：本文建立了高速电磁阀的电、磁、机、液模型，并利用ANSYS、AMESim软件，将上述模型联系起来求解，在此基础上，对影响电磁阀流量和响应时间等性能的各个因素，进行了定性的分析，提出了进一步改进和优化高速电磁阀的方案。关键词：电磁阀ANSYSAMESim仿真Abstract:Inthispaper,amathematicalmodelforsolenoidisbuilt,includingthemagneticmodel、currentmodel

2、、mechanicalmodelandhydraulicmodel.WithANSYS、AMESimsoftware,themodeliscalculatedandthefactorswhicheffecttheperformanceofsolenoidareanalyzed.Keyword:solenoidANSYSAMESimsimulation1、概述高速开关电磁阀是很多控制系统的关键执行元件，例如在汽车制动防抱死系统（ABS）、电控柴油喷射系统、无凸轮电控液压驱动气门系统上都需要具有大流量、快速响应的开关电磁阀。它通过接受电子控制单元

3、的控制信号实现快速的启闭，额定流量和动作时间是衡量电磁阀的重要指标，其直接影响系统的稳定性和可控性，电磁阀的额定流量越大，响应时间越快，系统的控制精度和稳定性越好。目前，具有大流量、高响应的电磁阀只在少数发达国家生产制造，早在20世纪70年代末，英国Lucas公司就研制了Colenoid电磁阀，开启时间为0.75ms，关闭时间为0.8ms，被用于该公司的电控单体泵中，且由于其行程长（最大可达20mm），可达到很高流量；日本Zexel公司的DISOLE电磁阀，当最大行程为0.4mm时，其响应时间为0.74ms，被用于该公司研制的Model-1型

4、电控分配泵中。相比之下，国内的研究起步较晚，研究单位不多，且还处于研究阶段，实际应用更少，清华大学所开发的高速电磁阀开启时间0.56ms，关闭时间1ms，但流量很小，贵阳红林机械厂的螺纹插装式高速开关阀开启时间3ms，关闭时间2ms，额定流量9L/min。国内的研究机构尽管取得了一定的成就，但还有一些关键技术没有解决，特别是快速响应和大流量的问题，因此对高速电磁阀展开研究有着深远的意义。电磁阀是电、磁、机、液强耦合系统，在电磁阀的设计和分析过程中，特别在设计快速开关阀时，必须建立正确的数学模型，找出影响电磁阀性能特性的各个因素以及其相互之间的

5、制约关系，忽略次要因素，侧重于主要因素，以达到优化设计的目的。为分析复杂磁路，并迅速有效求解非线性问题，本文应用了ANSYS作为工具，对高速电磁阀的电磁部分进行分析，并在此基础上建立了电磁阀整体仿真模型，对影响电磁阀的各个因素进行了计算和分析，并提出了优化的方案。2、高速电磁阀的计算模型2.1高速电磁阀结构及其理论模型本文以直流驱动的电磁阀作为研究对象，如图所示：图1电磁阀计算模型结构根据电磁阀特点，可将其分解为三个子模型，包括电路模型、磁路模型和机械模型，这三者是有机联系的。电路模型：dΨd(LI)U=RI+=RI+（1）dtdt2NL=（

6、2）Rm+Rδ+Rl式中：U为电路的驱动电压；R为电路的等效电阻；Ψ为线圈在磁场中产生的磁链；L为线圈的等效电感；N为线圈匝数；Rm为等效磁路磁阻；Rδ为等效工作气隙磁阻；Rl为等效非工作气隙磁阻。磁路模型：IN=φ(Rm+Rδ+Rl)（3）lδδ−xvalveRδ==（4）μδSδμδSδlmRm=（5）μmSm式中：φ为工作气隙磁通；lδ为工作气隙长度；μδ为工作气隙处的磁导率；Sδ为工作气隙的截面积；lm为磁导体的等效长度；μm为磁导体的磁导率；Sm为磁导体的等效截面积；δ为阀在初始位置的工作气隙长度；xvalve为阀在电磁力作用下产生

7、的位移。机械模型：2λφFm=（6）μgAgmx""valve=Fm−Fk−Ff−Fflow（7）其中：0<λ<1,0≤xvalve≤xvalve,max式中:λ为气隙边缘影响系数；Fm为电磁力；Fk为弹簧力；Ff为电磁阀摩擦力,Fflow为阀芯所受液动力；m为动铁及其所联阀芯的等效质量；xvalve,max为阀芯的最大行程。2.2其它计算模型阀的响应时间t0由下式得:tt00xvalve=∫∫xvalvedt2（8）,max""00忽略流体的粘性和可压缩性，则可得阀的流量公式：(2p−p)flow1flow2Qvalve=CqA(xvalv

8、e)（9）ρ式中：Qvalve为流出电磁阀的流体流量；Cq为流量系数；A(xvalve)为阀口通流面积函数，与xvalve的值有关；p、p分别为流入、流出阀口的流体