小型高温燃气电磁阀电磁推力的设计及仿真

陈雪勇，谭 耳，陈 强

(贵州航天林泉电机有限公司国家精密微特电机工程技术研究中心，贵州贵阳550081)



小型高温燃气电磁阀电磁推力的设计及仿真

陈雪勇，谭 耳，陈 强

(贵州航天林泉电机有限公司国家精密微特电机工程技术研究中心，贵州贵阳550081)

针对航天某装置对高温高压燃气进行流量控制的要求，设计了耐高温高压的电磁阀。采用经验公式与有限元分析相结合的方法对高温燃气电磁阀的电磁铁进行设计以提高其电磁推力和动态性能。最后通过试验进行测试验证，电磁推力满足电磁阀的要求，为工程技术人员进行同类产品的研制提供了可借鉴的方法。

电磁阀 高温高压 电磁铁 有限元仿真 动态性能

0 引言

电磁阀是控制系统中控制流体介质(液体或气体)方向、流量等的主要执行部件。本文介绍的是一种直动式、无中位的两位两通开关式电磁阀，用于航天领域控制高温高压燃气的通断。电磁阀所要达到的技术指标为：气体压力2.5 MPa、温度800 ℃，工作时间约420 s。

通过控制电磁铁产生电磁力推动芯轴运动，从而控制电磁阀进出口通道的通断。其主要特点是将高温高压燃气与电磁铁部分隔离，能够长时间多次对进出气口通道的通断进行控制。

1 电磁阀结构和工作原理

1.1 电磁阀结构组成

电磁阀主要由高温合金壳体形成的燃气通道、电磁铁两部分组成，两者之间由高硅氧玻璃钢隔热垫进行隔离，分别如图1、2所示，其中高温燃气通道由高温合金壳体部分、左右衬套、芯轴等部分组成，电磁铁由定子、衔铁、复位弹簧等部分组成[1]。

图1 系统组成框图 图2 产品结构简图

1.2 电磁阀工作原理

电磁阀在电磁铁不通电时为常闭状态，如图3所示，靠复位弹簧的预紧力将芯轴固定在右极限位置，即进气口和放气口不连通。当电磁铁通电后，产生的电磁铁推力F克服燃气阻力和复位弹簧进一步压缩阻力之和，推动芯轴由右极限位置向左极限位置运动，当芯轴到达左极限位置时为打开状态，如图4所示，即进气口和放气口连通，能够在要求的高温高压燃气环境下多次可靠的开启和关闭。

图3 常闭状态(芯轴在右极限位置) 图4 打开状态(芯轴在左极限位置)

2 电磁铁推力设计

电磁铁推力设计要解决的主要问题是在电阻上升、电压下降的情况下能否将燃气通道正常开启，满足系统的响应时间，同时在断电时，依靠复位弹簧的弹力将芯轴推到常闭位置，也能够满足系统要求的响应时间。

2.1 电磁铁参数设计

电磁铁推力F大小不仅与线圈线径、线圈匝数、线圈电阻有关，还与气隙δ有关，而气隙主要由电磁阀芯轴行程L决定(L<δ)。因此电磁铁参数设计在满足推力要求的情况下，推力不能太大，否则会增大电磁铁的工作电流，在长时间使用过程中发热严重，同时也会使电磁铁重量增加。根据螺管式电磁阀的经典电磁力计算公式[2-3]：

(1)

式中：μ0=4π×10-7H/m；S—气隙面积161 mm2；d—漆包线直径0.315 mm；D1—绕线外径35 mm；D2—绕线轴直径20 mm；δ—气隙长度1 mm；U—电压28 V；ρ—铜的电阻率0.017 8 Ω·mm2/m；

由于线圈的工作电压一定，因此在有限的体积内按照式(1)计算出推力F=125 N。

考虑到磁路存在漏磁，实际在工作气隙中起作用的只是线圈磁势的一部分，考虑漏磁后，式(1)可以写成：

(2)

式(2)中Kf为漏磁系数，取值由磁路组成决定，根据磁路设计的好坏差别很大，可在1～10范围变化，通常在电磁阀设计中取1.2～5.0，该值的选取带有很大的经验性，可以通过结构类似的电磁铁进行类比估算。

2.2 电磁铁推力仿真分析

由于以上简单计算时假定导磁材料具有恒定的磁导率，但是考虑到实际导磁材料的磁化曲线，在应用有限元计算时可以采用非线性材料模型，通过定义导磁材料的磁化曲线来反映在一定外加磁场下材料的磁感应强度。

计算时分别考虑工业纯铁和精密导磁合金磁化曲线的非线性特征，考虑到气隙处结构较小，并且此处需要精密分析，有限元离散时在此处加密网格，其有限元模型如图5所示。对电磁铁定子、电磁衔铁、绕组、气隙进行剖分，其网格剖分效果如图6所示。网格划分均匀，气隙处网格密度最大，满足瞬态场有限元分析的要求[4-5]。

图5 电磁铁有限元分析模型 图6 电磁铁网格剖分效果

对电磁力进行仿真，可以得到整个空间的磁力线分布、磁路各处磁感应强度大小，有利于磁力计算与磁路优化。

电磁铁电源电压取28 V DC，线径取0.315 mm，共1 560匝，常温电阻29 Ω，电流为0.966 A。电磁铁的输出力曲线如图7所示，电磁铁的输出力在动子0.1 mm处最大为116 N，在1.1 mm处为59.4 N。

在工作过程中，线圈温度的升高来源于两个方面，线圈自身通电后发热以及壳体部分高温燃气的热传递，根据电磁阀的综合比热容、质量和散热面积等核算其达到热平衡的时间为1 090 s，因此在电磁阀工作的时间420 s内，其温升大约70℃。

图7 电磁铁常温输出力

电磁铁线圈温升70℃时电阻为36.7 Ω，电流为0.763 A。电磁铁的输出力曲线如图8所示，温升70℃的输出力在动子0.1 mm处最大为102.6 N，在1.1 mm处为49.3 N。

图8 电磁铁高温输出力

电磁衔铁分别在初始位置1.1 mm和吸合位置0.02 mm时电磁铁各部分磁密云图如图9、10所示，电磁衔铁在1.1 mm处平均磁通密度为1.5 T，当电磁衔铁运行到0.02 mm处，平均磁通密度增加到1.7 T，电磁衔铁磁力线均匀无畸变，磁通密度未饱和。

图9 电磁衔铁在1.1 mm处(初始位置)的磁密云图

2.3 电磁铁推力实测及对比

为验证电磁铁推力仿真模型和结果的正确性，

图10 电磁衔铁在0.02 mm处(吸合位置)的磁密云图

将电磁铁放置在压力试验机上，调节好初始位置，保证气隙δ=1.1 mm，当通电28 V DC后，产生的电磁铁推力瞬间值为86.24 N，稳态值为62.5 N，与常温

状态下仿真结果59.4 N，两者误差约5%。

通过对电磁铁电磁推力经验公式的计算说明电磁铁推力的估算精度受参数选取影响非常大，对于有丰富电磁铁设计经验的技术人员可以采用；而通过有限元方法能够考虑磁性材料的非线性特征，能够较为精确地计算出漏磁效应及整个磁路空间的磁场分布，而实际测试结果也与仿真结果较为接近，准确性也最高，适合在工程设计与优化中推广使用。

3 动态性能-响应时间测试

由于动态特性-响应时间非常短，用常规时间测量方法无法进行测量，本文采取的测量方法是在一测试工装架上，用一根连接轴将电磁阀内部直线运动的芯轴与直线电位器的动轴用螺纹连接固定，如图11所示，在电磁阀通断电瞬间，直线电位器的动轴与电磁阀内芯轴同步运动，将芯轴直线运动的位置信号转化为直线电位器的电信号进行响应时间的测量，如图12、图13所示，分别为打开和关闭电磁阀的响应时间t1和t2。测试结果正确， 测试精度

图11 响应时间测试原理图

图12 打开电磁阀时间t1 图13 关闭电磁阀时间t2

高，能够满足快速直线运动类产品的响应时间的测试。已经在某小型高温电磁阀的响应时间的测试上成功应用，测试响应时间为6 ms～10 ms，满足技术指标的要求。

4 结论

本文介绍了某小型高温高压燃气电磁阀的工作原理及其电磁铁推力计算与仿真过程，满足系统的响应时间要求。从理论上证明该电磁阀设计的合理性，地面热试车结果从实践上证明该电磁阀使用可靠，性能稳定。它的研制成功解决了对高温高压燃气进行长时间控制的难题, 并为同类产品的研制提供了可借鉴的方法。

[1] 吴宗泽. 机械设计手册[M]. 北京：机械工业出版社, 2011.

[2] 李泉风. 电磁场数值计算与电磁铁设计[M].北京：清华大学出版社，2002.

[3] 钱家骊. 电磁铁吸力公式的讨论[J]. 电工技术，2001(1)：59-60.

[4] 安琳，刘志珍，赵琳. 电磁阀的有限元法磁场分析及吸力计算[J]. 山东大学学报(工学版)，2004，34(6)：27-31.

[5] 付文智，李明哲，邓玉山. 直流电磁铁磁场和牵引力的数值模拟[J]. 机械学报，2005，36(2)：100-103.

Design and simulation of electromagnetic thrust of small high temperature gas solenoid valve

CHEN Xueyong, TAN Er, CHEN Qiang

A high temperature and high pressure solenoid valve is designed according to the requirement of high temperature and high pressure gas flow control of an aerospace device. The electromagnet of high temperature gas solenoid valve is designed to improve the electromagnetic force and dynamic performance using empirical formula and finite element analysis method. At last, the test is carried out to verify that the electromagnetic force meets the requirements of the solenoid valve. This design provides a reference method of the development of similar products for engineers and technicians.

solenoid valve, high temperature and high pressure, electromagnet, finite element simulation, dynamic performance

TH138.52+3

A

1002-6886(2016)06-0055-04

陈雪勇(1984-)，男，工程师，担任多种电动机构主管设计工作，所承担的课题包括：直动式高温高压电磁阀、旋转式高温高压燃气阀门、有限转角电动机构、直线推力电动机构、多级行星齿轮减速器等。

2016-08-04