基于Ansoft的微型氣動高壓電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性仿真分析

引言

電磁閥是利用通電線圈激磁產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動閥芯運(yùn)動以完成開啟或關(guān)閉的閥門，此種閥結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕、密封良好、維護(hù)簡便、可靠性高,是自動控制領(lǐng)域的重要部件。電磁閥的動態(tài)響應(yīng)特性是評估電磁閥性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。以往在進(jìn)行電磁閥設(shè)計(jì)時，主要依靠經(jīng)驗(yàn)公式與數(shù)值計(jì)算來確定電磁閥的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，而無法判定這些參數(shù)是否合理。

使用AnsoftMaxwell仿真軟件瞬態(tài)仿真模塊，可以準(zhǔn)確直觀得出電磁閥動態(tài)響應(yīng)曲線。從而分析電磁閥設(shè)計(jì)是否合理，然后有針對性地進(jìn)行修正，并確定合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，最終通過樣件試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1電磁閥的組成及工作原理

高壓氣動電磁閥閥芯結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

電磁閥不工作（斷電）時，彈簧克服氣體壓力，使右錐閥芯和氣嘴接合，將進(jìn)氣口單獨(dú)隔開；工作（通電）時，電磁閥線圈通電，電磁鐵產(chǎn)生電磁力，動鐵芯被吸引，帶動左、右錐閥芯向左移動，此時，高壓氣體進(jìn)入電磁閥，在電磁力和氣體壓力的共同作用下，右錐閥芯與氣嘴分離，進(jìn)氣口與工作口接通。左錐閥芯左端與左閥體接合，關(guān)閉大氣口，保證輸入高壓氣體由進(jìn)氣口流向電磁閥工作口供給氣動系統(tǒng)。電磁閥斷電后,錐閥芯在彈簧力作用下恢復(fù)初始狀態(tài)，右錐閥芯與氣嘴接合,進(jìn)氣口與工作口氣路被隔斷，同時左錐閥芯與左閥體分離，工作口與大氣口相通，釋放工作腔內(nèi)剩余氣體，電磁閥停止工作。

2電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性仿真與試驗(yàn)對比

AnsoftMaxwell是世界著名的低頻電磁場有限元軟件之一，在各個工程電磁領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。該軟件中的瞬態(tài)電磁計(jì)算可以根據(jù)影響電磁特性的因素變化進(jìn)行實(shí)施求解,更貼近實(shí)際工作狀態(tài)，展現(xiàn)出電磁閥工作特性變化。

2.1仿真建模

在電磁閥的仿真建模過程中，要盡可能地簡化模型，省去與磁路無關(guān)的倒角、圓角、溝槽等。此微型氣動高壓電磁閥可以簡化為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此，只需要建立半剖面結(jié)構(gòu)即可,這樣既能節(jié)省資源，又可以保證其計(jì)算的準(zhǔn)確性。依據(jù)上述原則，建立如圖2所示的電磁閥2D模型。

圖2微型氣動高壓電磁閥2D模型及網(wǎng)格劃分圖

2.2網(wǎng)格劃分

有限元的基本方法是把復(fù)雜的場空間看成有限分單元組成的整體，然后分析每個單元，得出單元的方程式，在此基礎(chǔ)上綜合所有的單元建立系統(tǒng)的聯(lián)立方程組。

AnsoftMaxwell瞬態(tài)求解器中有自適應(yīng)網(wǎng)格生成器，可以生成滿足精度要求且疏密分布較為合理的網(wǎng)格。電磁閥模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

某型電磁閥相關(guān)參數(shù)要求如表1所示。

在利用AnsoftMaxwell進(jìn)行電磁仿真的過程中主要有以2.3參數(shù)設(shè)置下幾步:

（1）設(shè)置電磁閥運(yùn)動體以及參數(shù)。運(yùn)動體設(shè)置為電磁閥銜鐵，其中銜鐵重量為0.005kg,運(yùn)動過程中受力為F=-3.57X103Xposition-10.3,阻尼為10N?s/m；

（2）設(shè)置邊界條件為狄里克萊VectorPotential）邊界條件；

（3）設(shè)置激勵源。選中線圈，添加開啟50ms/關(guān)閉50ms,電壓值為28V的脈沖，設(shè)置線圈電阻為34Q,漏感為0.03H。2.4仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

2.4.1仿真結(jié)果

電磁力、彈簧力和電流變化曲線見圖3。

圖3電磁力、彈簧力和電流變化曲線

2.4.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在電磁閥試驗(yàn)過程中，分別選擇不同的開啟電壓進(jìn)行試驗(yàn)，并通過示波器電磁閥響應(yīng)過程中的電壓、電流以及開啟釋放時間等參數(shù)進(jìn)行檢測記錄。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

2.4.3對比分析

電磁閥開啟過程中，Ansoft電磁仿真輸入電壓為28V，開啟時間為24±2ms，電流為0.8+0.02A；對比表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看到，開啟電壓為28.1V時，三次試驗(yàn)的開啟時間平均值為24.6ms，電流為0.63A。通過對上述三項(xiàng)數(shù)據(jù)對比分析可知，利用Ansoft電磁仿真軟件仿真結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

電磁閥關(guān)閉過程中，軟件仿真所得的響應(yīng)時間約為150ms，而試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)平均值為183.5ms，此響應(yīng)過程受電磁閥的維持電壓、工作氣隙以及銜鐵運(yùn)動過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢等因素影響較大，可以通過改進(jìn)設(shè)計(jì)電磁閥的結(jié)構(gòu)形式或者通過后期工程控制來降低此響應(yīng)時間。

3結(jié)語

通過對比電磁閥的仿真結(jié)果、試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)計(jì)算值可知，在電磁閥啟閉過程中，由于銜鐵移動，線圈產(chǎn)生自感電動勢，使得電磁力產(chǎn)生變化。電磁閥開瞬間，電磁力受自感電動勢影響，電磁力會響應(yīng)減??；關(guān)閉過程中，自感電動勢平衡彈簧回彈力，使得電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時間延長。

通過分析閉合過程的影響因素，可以采用如下兩種方法消除電磁閥啟、閉過程中的不利因素：

（1）電磁閥采用高低壓工作的形式。開啟時，采用高電壓（28V），完成開啟，然后改用低電壓維持。這樣不僅可以減少電磁閥閉合過程中自感電動勢的影響同時還可以降低電磁閥線圈溫升。

（2）在電磁閥控制過程中，可以通過增加二級管等電子元件來控制電磁閥閉合過程中的自感電動勢，從而減少電磁閥閉合響應(yīng)時間。

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