中北大学机械与动力工程学院 任海涛 张翼
为确定该企业的电控液压阀的电压阀能够正常工作,本文对电磁阀的电磁场进行了有限元分析计算,得到电磁力,验证其合理性,同时分析了工作气隙和安匝数对电磁力大小的影响。
该电磁阀主要由壳体、复位弹簧、线圈、线圈架、隔磁环、动铁芯和定铁芯组成。(如图2.1所示)
图2.1 电磁阀结构图
该电磁阀工作原理为:通过电磁力和弹簧的复位力驱动动铁芯,并带动推杆移动,以达到阀的开启与闭合。在给线圈施加电流之前,在弹簧作用下,动铁芯与定铁芯处于分离状态,动铁芯下端推杆的球阀与阀座紧密结合,使阀处于关闭状态;给线圈施加电流后,随着电流逐渐增加,磁场增强,定铁芯对动铁芯的电磁力逐渐增大,直到克服弹簧作用力和摩擦力,开始带动动铁芯向上运动,阀即被打开。
本文中将电磁阀简化为轴对称模型,对其进行计算分析。考虑到复位弹簧的相对磁导率与空气的相对磁导率接近,将弹簧按空气处理,对计算结果的影响可以忽略不计。为提高电磁场求解精确度,选定划分网格的单元类型为PLANE53(四边形八节点插值函数),自由度选用AZ,且为轴对称,简化后建立模型如图3.1所示。
图3.1 电磁阀简化模型
电磁阀有限元模型中有7种材料区域:定义空气的相对磁导率为1;动铁芯和定铁芯材料为电磁纯铁,属于软磁材料,其磁化曲线如图3.2所示;定义线圈的相对磁导率为1;线圈架相对磁导率为1;隔磁环相对磁导率为1;壳体材料为碳素钢,相对磁导率为150。
图3.2 B-H曲线
为各区域赋予材料属性和单元属性后,设置网格形状和尺寸,用Mesh工具划分网格,并对动铁芯与定铁芯靠近部位进行网格局部细化。加载过程中,首先定义动铁芯为一组件,对其加载力学边界条件;再对线圈施加电流密度;最后选择外围节点,施加磁力线平行条件。求解时选择求解器,确定为静态分析类型。求解后,在通用后处理中查看所有得出的结果,得到电磁力的大小、磁力线分布图、磁通密度云图和磁场强度云图。图3.3是气隙为0.4mm时的相关结果。
磁力线分布图
图3.3 气隙为0.4mm时计算结果
本文采用安匝数为1000NI时,将气隙从0mm增加到2.7mm,使用ANSYS软件计算得到相应的电磁力,结果如图3.4所示:
图3.4 气隙长度——电磁输出力关系图
从图中可以看出:当气隙长度从0增加到0.4mm时,动铁芯受力迅速减小,在这个区间内,随着气隙增大,电磁输出力迅速减小;气隙从1.6mm到2.7mm区间内,随气隙增大,电磁输出力变化不大。
本文采用气隙为0.4mm,电流值为0.35A的条件下,分别计算了线圈安匝数为500NI,1000NI,1500NI,2000NI,2500NI,3000NI,3500N I,4000NI,4500NI,5000NI时的电磁输出力,来研究安匝数变化对电磁输出力的影响。
图3.5 安匝数——电磁输出力关系图
从图中可以看出,安匝数小于1000NI时,电磁输出力随着安匝数的增加而增加的速度较快。随着安匝数越来越大,电磁输出力增量越来越小,即增加安匝数不能显著提高电磁输出力。这是由于软磁性材料磁化的非线性,当安匝数增加到一定数值时,磁性材料的磁感应强度达到饱和状态,此时安匝数增大,电磁输出力变化就不太大。但线圈安匝数增大,发热量也将增大,因此设计电磁阀时,应根据材料的饱和磁通量选择安匝数,以保证增大电磁输出力的同时有效控制线圈的发热量。
利用ANSYS软件,对电磁阀进行分析计算,得到的计算结果显示该电磁阀满足工作要求,能够正常的工作;同时还得到了安匝数和工作气隙对电磁输出力的影响曲线。
[1]孙明礼,胡仁喜,翠海蓉.ANSYS电磁学有限元分析实例指导教程[M].北京工业出版社,2007.
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