一种微型比例电磁铁研究开发

郭加利, 张 曦, 张鑫彬, 江金林, 金 理, 朱文杰

(1.上海航天控制技术研究所, 上海 201109; 2.上海伺服系统工程技术研究中心, 上海 201109)

引言

高端精密微型气动电磁比例阀在医疗行业、航空航天、高端分析仪器仪表具有广泛应用基础。在这些应用领域,为了保证其系统的控制精度,对于流量控制的精度有较为严格的要求,通常允许的流量误差在10%以内,比例阀的性能是影响应用系统品质的关键指标之一[1]。尤其是新冠疫情爆发后高端呼吸机对高性能微型气体比例阀需求暴增[2],而国内呼吸机比例阀产品基本全部依赖国外进口的现实,暴露了国内在此方面技术能力的薄弱现状。

针对比例电磁阀的技术特点,国内学者进行了多方面的技术分析。叶鑫宇等[3]利用AMESim软件对影响微型电磁比例阀滞环参数的因素进行了分析,并介绍了一种阻尼弹簧组件的微型比例阀;周晓芳[4]结合呼吸机的应用场合,介绍了各种呼吸机比例阀产品,并详细列举了各种微型比例阀的性能;李京骏等[5]通过Maxwell软件,分析了比例阀隔磁环的各参数对比例阀电磁力输出性能的影响;吴祥伟[6]等针对线圈匝数、工作间隙和衔铁厚度对气体电磁阀响应特性的影响进行了仿真分析;吴萌[7]等对某形式比例阀电磁铁的极靴结构进行了分析及优化设计。

以上对微型比例阀的应用介绍和研究,均对后续比例电磁阀的开发有一定的参考价值。本研究结合气体比例电磁阀的结构特点,创新性地提出了一种动靴式比例电磁铁,通过极靴的运动达到了电磁比例输出特性。通过制备样机对位移输出和输入信号的对比,最终验证了该新型比例电磁铁设计思路的可行性。

1 结构设计

比例电磁铁要想达到比例控制的效果,重点是要保证电磁力及反作用力(弹簧或液压)的相互匹配。

传统比例电磁铁的极靴是固定的,而衔铁是移动的,通过移动衔铁产生位移。原理为极靴是与马达固连,通过衔铁的运动与极靴产生磁性变化,进而产生随输入信号变化的电磁输出力。

图1 传统比例电磁铁的结构示意图

比例电磁铁由于隔磁环的隔离,产生两路磁路,φ1和φ2。φ1是沿衔铁轴向方向穿过气隙,产生电磁力F1,而φ2沿着极靴穿过气隙,该路磁通也会产生沿轴向方向的分力F2,φ1和φ2共同形成闭合的磁路,并产生轴向的推力F。由于极靴的存在,导致衔铁在一定范围内移动时,两路磁通产生的轴向合力F保持基本不变[8]。此段行程内电磁力与衔铁位移无关,通过改变输入信号得到线性的电磁力,从而实现电磁力随信号的比例控制。

1.1 新型比例电磁铁方案

结合某项目低压大流量气体比例电磁阀结构空间有限的特点,开发了一款极靴位于动铁上的电磁阀驱动结构。该结构磁通的走势与传统比例电磁铁类似,也可以产生电磁力只与控制信号成比例控制,而与衔铁位置近似无关的效果。通过在动铁上集成柔性异形弹簧,形成与驱动位移成比例控制的反力,以达到阀芯位移与输入信号成比例控制的目的。

该结构的设计难点在于,由于研制的气体比例阀结构尺寸小,吸力副尺寸受限,在电磁铁磁路设计时需综合考量电磁力大小和电磁力的线性特性。在考虑电磁力需求的基础上,由于固定磁轭与极靴间隙量很小,电磁力易非线性快速增加,不利于阀的线性性能。

图2 新研微型比例电磁铁结构

1.2 确定初始密封电压

以比例电磁铁阀芯作为受力分析对象,如图3所示。阀芯受到向上的力为电磁力Fz,和供气压力的作用力Fs;阀芯向下的受力为重力Mg和弹簧力kx。即:

图3 比例阀阀芯受力示意图

Fz+Fs=Mg+kx

(1)

其中,在微型比例电磁铁中,阀芯的质量很小,在本次分析中可忽略不计;供气压力Fs本不可忽视,但事实上可以采取压力平衡的方式,将气体引到阀芯上端面,使得在阀芯上下气压作用力近似相等,因此该部分力也可以简化。

如图4简化示意图所示,由于气体比例阀往往需要一定的密封比压,即在初始阶段通过弹簧产生一个预压缩量x0,使得阀芯和阀座之间产生一个相互作用力kx0,从而产生密封效果。因此,电磁力存在一个初始死区电流值,该值产生的电磁力用来克服初始弹簧变形的密封作用力,即简化后的阀芯受力如下:

图4 比例阀阀芯受力简化示意图

Fz-Fz0=k(x-x0)

(2)

根据系统控制要求,在本次设计中额定电压为6V,为了保证密封可靠,死区电压取3V,即在死区电压3V范围内产生的电磁力均用于克服弹簧预压缩量x0。在3～6 V范围内,比例电磁铁的位移才随信号增加呈线性输出。

1.3 比例阀行程设计

比例电磁铁最终控制的是比例阀的开度,影响着流通的气体流量。微型气体比例阀,需要在很小位移下,能产生较大气体流量的输出。按照气体流量计算公式如下[9]:

式中 Se—— 出口截面面积

Q —— 体积流量

T —— 阀口上游气体温度

按照设计需求,在额定输入0.2MPa的输入条件下,要达到180L/min的空气流量,则计算得到的阀口开口需要达到0.3mm左右,由此得到设计的比例电磁铁的有效行程要求至少0.3mm。

2 电磁仿真

本研究借用有限元分析软件Ansoft对新型比例电磁铁的电磁力输出性能进行分析。在比例电磁铁的设计中,重点仿真分析比例电磁铁极靴组成要素对比例性能的影响。以在同一信号下电磁力随位移不相关性为优化目标,通过仿真分析极靴的角度、高度、宽度对电磁性能的影响,最后确定角度、高度、宽度等参数值。

图5a为有限元仿真简化模型,图5b为衔铁上有关极靴的三个影响因素。在本设计方案中,动铁上极靴结构主要有三个因素对比例电磁铁的线性度有重要影响,分别是极靴宽度D、极靴高度H以及极靴角度A。以上三个因素共同影响着沿极靴方向的磁通量φ2,通过选取不同D、H和A的数值,可选取到满足电磁输出力及线性度要求的组合。

图5 有限元分析模型

图6 不同极靴参数对电磁力的影响

仿真边界条件设置:在Ansoft中采用稳态计算的方法;分别设置磁路计算各环节的材料,其中导磁材料选择为1J117材料;设置计算域边界为气球边界,其计算区域为空气。模型激励为输入电压6 V折算的安匝电流值,通过手动输入0～0.3 mm位移信号,计算求得在不同位移x条件下的电磁力Fz输出值,观察电磁力随位移变化情况。

从以上仿真可以看出,极靴高度H由0.4～1.2 mm 的变化过程中,曲线基本是变平趋势,表明电磁力随位移变化的相关性成下降趋势。极靴角度A从10°～50°范围变化时,电磁力曲线线性度是变差的。同样,极靴宽度D从3.1～3.3 mm增加厚度,电磁力与阀芯位移曲线也是变差的。

综上所述,为取得最佳的电磁力随位移的增加而产生的变化量最小,分别取三个变化量的取值如表1所示。

表1 选取的最终变量值

在以上选取的极靴变量数值后,对比例电磁铁的磁场仿真如图7所示。可以看出在当前取值下,固定磁轭以及衔铁的磁感应强度为1.5 T左右,可以满足使用要求[10]。

图7 磁场强度分布

图8 电磁力随电压信号输出

图9 柔性弹簧仿真模型及样件

在以上极靴各参数取值下,可以认为优化设计后的极靴能够基本满足力随行程近似不相关性。经计算,设计的比例电磁铁在0～0.3 mm范围内具有良好的线性性能,在输入电压信号U(3～6 V)下,其产生的电磁力约在1.0～3.5 N范围之间。

3 柔性弹簧设计计算

弹簧的作用是一方面提供气动比例阀关闭状态时的密封力,一方面在开启状态时,与电磁力相平衡,使阀芯停留在预期位置上,其性能好坏是微型比例电磁阀研制的关键因素之一。传统比例电磁铁的反作用弹簧采用的是圆柱弹簧,受制于微型比例阀的尺寸限制,采用柔性异形弹簧可以大大减小比例阀的结构尺寸。在某些医疗康复设备领域往往对气动比例阀的寿命有较高要求,因此,比例电磁铁对弹性元件的性能稳定性有很高的要求,不仅弹性性能满足比例控制需求,还要使其所受应力尽量小,提高弹簧寿命以满足电磁铁寿命需求。

根据比例电磁铁电磁输出性能,可以得到在不同位移下电磁力值,进而可以得到弹性元件的不同位置下所需的刚度值,如表2所示。

表2 弹簧刚度计算表

表3 弹簧参数表

本研究研制的柔性弹簧,采用同心渐开线形式,通过设置同心渐开线的不同参数, 可以得到不同力学刚度的柔性弹簧[11]。渐开线计算公式如下:

式中, α —— 渐开线的起始角

β —— 渐开线的终止角

R —— 基圆半径,且0

在Creo软件中,按照以上参数绘制柔性弹簧的三维模型,并导入到静力学Static Structure模块中。设置柔性弹簧材料为3J1弹性合计,该材料的弹性模量为206 GPa,材料的密度为7.9×103kg/m3,泊松比为0.3。画分网格,并设置约束和位移变量,最终模拟得到柔性弹簧的刚度。经过软件仿真可以得到,以上参数设计的柔性弹簧在Workbench中得到的刚度仿真结果约为8 N/mm,满足设计需求[12]。

按照设计参数,制备了比例电磁铁所需的柔性弹簧样件。通过对柔性弹簧样件进行刚度测量,可以得到实物样件的刚度平均约为7.6 N/mm,如表4所示,实物刚度与计算刚度相差5%,在工程允许误差之内,满足设计需求。

表4 刚度实测结果

4 试验验证

由于微型比例电磁铁输出力较小(不大于3.5 N),不适应于传统接触式位移测试装备。因此本研究通过搭建一套非接触式位移测试系统对阀芯位移随信号的输出进行了验证。该测试系统包含,信号发生器、LVDT位移传感器、信号采集和调理模块以及上位机系统,如图10所示。

图10 比例电磁铁测试系统原理

上位机通过同时采集输入电压信号以及调理后的LVDT位移传感器电压信号,并将其放在同一界面下显示,最终得到在不同电压下电磁铁阀芯位移数值。

图11中展示了研制的比例电磁铁制备的气体比例阀,以及该阀通过测试系统检测阀芯的位移输出特性。从图中可以看出,该阀的最大输出位移满足0.3 mm 的设计需求。该比例阀在0～3 V范围克服柔性弹簧的初始密封力,在3～6 V电压范围内,比例电磁铁的阀芯位移与输入信号呈现近似线性关系,从测试结果可以得到该阀门的滞环为10%左右,线性度为7.5%左右,满足使用需求。由此可以看出本研究介绍的微型比例电磁铁设计思路和方法满足初始设计技术指标,样机测试结果与设计结果一致性良好。

图11 比例电磁铁样机及测试曲线

5 结论

基于ANSYS Workbench的Ansoft Maxwell以及Static Structure模块,分别开展了微型气体比例电磁铁的电磁特性及柔性弹簧的开发设计,结论如下:

(1) 提出了一种动极靴的思路,并分别对极靴的三个参数进行对比仿真,最终得到该结构下电磁力随信号的正比例输出;

(2) 建立的柔性弹簧仿真模型可以很好地计算弹簧的弹力性能,实物刚度与仿真结果一致性较好;

(3) 通过搭建测试系统对微型比例电磁铁的位移输出性能的测试,可以看出样机的位移能够随信号线性比例输出。

综上所述,本研究介绍了一种动极靴方式的比例电磁铁,并对其影响工作特性的极靴结构(高度、宽度及角度)进行优化设计,最终得到了电磁力比例输出性能;设计了一种微型柔性弹簧,用于平衡电磁力输出。得到的微型比例电磁铁结构及样机,满足微型大流量气体比例阀的使用要求。