基于非晶铁芯高速开关电磁阀特性研究

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1、学兔兔www.xuetutu.com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200072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MATLAB和ANSYS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：TP211~．53文献标识码：A文章编号：1000—4998(2014)09—0040—03近年来随着控制技术的不断进步．高速开关电

2、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．研究其绝对磁导率=B／H，(曰为磁感应强度，T；H为磁场强快速响应特性在工程中具有重要意义。影响高速开关度，A／m)；A为磁通量穿过的垂直截面面积，m2；r

3、为沿电磁阀的响应特性的主要因素有：电磁阀结构、软磁体磁感线方向的径向距离，rn；FO为导磁体的外半径，m。材料、驱动电压、载荷、行程、线圈匝数等[2]。磁导P是磁阻的倒数：笔者在对电磁阀结构进行优化的基础上．探索新1／R(3)型软磁体材料在高速开关电磁阀中的应用．从而对提等效电磁回路总磁阻()为：高高速开关电磁阀的响应速度进行研究。R()=R幻+R++二二二二二二二二1二二二二二‘4)1电磁铁的磁路分析Pg++。R0⋯l+RI⋯2+R561．1等效磁路的分析式中：为气隙磁导；为气隙周围漏磁通区域的磁电磁铁的基本结构如图1所示．根据电磁铁的结导；R为m、n(m=l，2，3，⋯；

4、n=l，2，3，⋯)两节点之间构可以得出电磁铁的等效磁路图(图2)，图中：为等的磁阻；R为线圈磁导；、为衔铁位移的函数。效磁路中各段导磁体的等效磁阻，尺为气隙磁阻，R若不考虑磁饱和现象，电磁回路总电感L()为：为气隙漏磁阻_3'，R为线圈磁阻，为等效磁动势。()(5)1．2集中参数法对电磁铁磁路进行计算根据电路理论可得电压平衡方程为：轴向磁阻和径向磁阻分别为：=÷^(1)“=iRc+L()誓+(6)式中：Ⅳ为线圈匝数：¨为电压；i为线圈中的励磁电R=d，=ln()(2)流；为线圈电阻。式中：为沿磁通量方向的路径长度，m；ri为导磁体的根据以上各式．使用MATLAB软件对电磁铁

5、磁导内半径(如果实心导磁体则ri=O)；^为导磁体高度，m；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收稿日期：2014年3月磁导率和电感较高．较高的磁导率和电感有利于电能2014／9机械制造52卷第601期学兔兔www.xuetutu.com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：1FD=CDD(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：

6、，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SimUlink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转化为磁能．能够提高电磁铁的响应特性和电磁力：而行磁导和电感计算．Simulink仿真系统模型如图5所电感的提高也会降低电磁铁线圈中电流的增加速度．示。对于高速开关电磁铁的响应特性有负面影响．所以对在Simulink仿真模型中设置参数：电源电压=12于非晶铁芯在电磁铁中的应用是否能真正提高电磁铁v；初始状态：i=O，x=O，=0，／．to=4~xl0H／

7、m；衔铁位的特性值得研究(21／：移最大值为s=3mm；m=2kg；线圈电阻R=5Q。仿真2电磁阀的电磁铁仿真分析结果如图6～图8所示本文分别使用Simulink和ANSYS对高速开关电由图6和图7可以看出．采用非晶材料的电磁铁磁铁模型进行了仿真。不论在响应时间方面还是在输出电磁力方面都要比采2．1电磁铁的Simulink仿真用普通纯铁铁芯的电磁铁有所提高．从图8电流响应2．1．1电磁铁电磁吸力曲线可以看出．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Fm=~i(7)应