基于Ansoft的永磁式电磁阀优化设计*

李志明，杨国华，李嘉琪

（宁夏大学物理与电子电气工程学院，宁夏银川 750021）

0 引言

随着科学技术的发展，自动化水平不断提高，电磁阀作为一种以电、磁、机、液互相作用的耦合体出现，是一种将电能转化为机械能的装置。由于其结构简单、工作可靠、使用安全、外形轻巧、成批产品的性能一致性好、用途广泛，在国内外已被广泛地应用于电子设备、农业机械、汽车、色选机、工程机械、色选机、轻纺等多个领域。不同应用场合的电磁阀有着不同的性能要求，永磁式电磁阀在应用于车用喷油阀时，它的强电磁作用力和快速响应能力会直接影响喷油阀的控制精度［1］，提升其性能可以提高燃油的经济性并减少排放物的生成。但是，因为电磁阀自身的结构特点阻碍了永磁式电磁阀的强电磁作用力和快速响应能力，给精准控制喷油阀的多次喷射及喷射时间带来困难。因此，可通过永磁式电磁阀材料的选择、控制条件的改变、结构的优化等来获得较好的动态响应及制造时的经济性。对永磁式电磁阀的结构及动静态的仿真计算有着重要意义。

1 永磁式电磁阀的基本结构

永磁式电磁阀主要由阀体、密封塞、复位弹簧、铁芯、衔铁和线圈等零部件组成。文中以某常规永磁式电磁阀为研究对象，由于该设计所使用的电磁阀整体为圆柱状，其结构完全为空间轴对称，故建模时只采用电磁阀的1/4竖切面即可。建立模型如图1所示，其中磁路由动铁芯、静铁芯、气隙组成。

当永磁式电磁阀没有通电前：

式中：F弹为永磁式电磁阀的弹簧力（N），G铁为移动铁芯的重力（N），F永为永久磁体提供的向上的磁力（N）。

故移动铁芯保持释放状态，即电磁阀关闭。当给线圈施加一个正向的脉冲电压时：

式中：F线为线圈产生的向上的磁力（N）。

故电磁铁由释放转入吸合状态，也就是永磁式电磁阀处于开合状态。

图1 永磁式电磁阀的2D模型

当脉冲电压消失后，此时动铁芯与定铁芯之间的气隙最小，磁路间的磁阻达到最小，此时：

所以电磁铁仍保持在吸合状态。此时给电磁阀线圈施加反向脉冲电压，永久磁体产生的磁力与线圈产生的电磁力相反，磁力小于向下的推力，电磁铁由吸合转入释放状态。即永磁式电磁阀再次处于开合状态。

2 永磁式电磁阀的数学模型

2.1 电路方程

电路方程如下：

式中：u(t)为线圈电压（V）；i(t)为线圈电流（A）；R为线圈回路电阻（Ω）；N为线圈匝数；ψ为线圈的总磁链（Wb）；φm为磁路的磁通量（Wb）。

2.2 运动方程

运动方程如下：

式中：a为动铁芯上下运动时的加速度(m/s2)；Ff为流过电磁阀内液体的阻力(N)，关闭过程设为“-”，导通过程设为“+”；G为动铁芯与阀杆的重力(N)；m1为动铁芯的质量(kg)；m2为阀杆的质量(kg)［2］。

2.3 电磁时间常数方程

电磁时间常数方程如下：

式中：L为永磁式电磁阀的线圈电感；R为线圈自身电阻；U为所赋激励源；δ是电磁阀的最大气隙长度；r1为线圈的内径；r2为线圈的外径； ρc为线圈导线的电阻率；f为线圈的占积率。

2.4 影响因素分析

对上述方程进行分析，可知影响电磁阀强电磁作用力和快速响应性的因素主要有以下几点。

（1）电磁力

在动铁芯及阀杆质量不变的情况下增加电磁力，动铁芯的加速度增大，响应特性好。

（2）动铁芯质量

当电磁力保持不变时，在不影响磁通密度分布的情况下减少动铁芯体积，同样可增加动铁芯的加速度，提高电磁阀响应能力。

（3）电磁时间常数

由电磁感应定律可知，刚给永磁式电磁阀施加一个正向脉冲电压时，会产生一个反电动势阻碍原磁通的增加，让电流不能快速地上升到最大值，因此电磁力提升较慢，缓慢增加的电磁力不能克服摩擦力和弹簧力的作用来开启阀芯，会让动铁芯产生运动延迟。同理，当电磁阀关闭时，电流的延迟现象也会导致阀不能快速关闭。由式可知，线圈的电阻电感，电阻率等均会影响电磁时间常数。

故文中优化的参数主要包括阀体体积、线圈匝数、线圈位置、动静铁芯间隙；优化目的为减小电磁时间常数、提高快速响应能力、减少材料的浪费率。

3 静态建模分析与优化

为了更好地研究前面所提出的优化依据对电磁阀优化效果的影响，需要在Ansoft Maxwell16中对电磁阀进行2D建模。

所用常规永磁式电磁阀的基本参数为：静铁芯长8.6 mm，高11.4 mm，内长4 mm，高7.2 mm，线圈长3.1 mm，高4.15 mm，移动铁芯长3.75 mm，高3 mm，环形铁芯长4.72 mm，高3.08 mm，永磁体长0.4 mm，高0.6 mm，线圈匝数150匝，加载激励源电流1 200 A。如图1所示。

线圈部分的材料设置为Copper（铜），由于阀体、密封塞、弹簧、线圈骨架等为非软磁材料，导磁性能与空气相同，故Bounding边界和线圈框中的材料设置为Vacuum（真空）［2-3］，移动铁心材料设置为材料库中的DW310-35（硅钢片），静铁芯与环形铁芯的材料都设置为Vacoflux17（弹性合金），其中Vacoflux17的B-H曲线按相关数据在软件中设置，如图2所示。

图2 Vacoflux17的B-H曲线

表1 材料模型属性

在很多工程计算中，需要进行离散磁场或较远磁场的数值分析和计算，但过大的求解空间势必会增加不必要的计算时间和成本，引入气球边界条件则是一个相对来说比较理想的处理方法，所以该设计选择的工程计算边界为气球边界条件［4］。

图3 电磁阀Region区域

点击项目中的Setup中的Analyze，运行之后检查无误。然后点击Maxwell中的Fields［4］，可得其磁路线及气隙磁密分布图如图4所示。

图4 磁路线与气隙磁密分布图

从图中可以清晰看出，除了真空部分的颜色最深以外，其余部分颜色越深表示磁密越稀，而且从磁力分布线也能看出图中的电磁阀的左下角和右下角有磁密较弱的表现，为更加直观，测量环形铁芯上一条直线Polyline上的磁密，如图5所示。

图5 Polyline上的磁密分布

由图可知在1.5 mm之前，磁密较低，电磁利用率低下。考虑到电磁阀的制造成本，其结构需要小型化，经过分析电磁阀模型的磁力线和磁密分布及铁芯的磁饱和状态，在不影响电流响应时间的前提下，切除磁感应强度分布小的模型下面的左右两部分。减小阀体体积，使阀芯质量减小，提高电磁阀的开关速度。即对原模型进行修改，其下半部分的修改结果如图6所示。经计算可得结构优化后的体积减小了106.1 mm3。

图6 修改后的磁力线与磁密分布图

4 暂态建模分析与优化

当电磁阀通电时，电磁阀处于一个运动的状态，本身的磁场、力、功率损耗等参数都是时间的函数，不是一个固定值。那么在这种复杂的情况下，之前所做的静态建模与分析将不能满足实验要求。所以，需对永磁式电磁阀进行暂态建模与分析。

暂态情况的建模基本与静态相同，略微有一些区别。首先解析类型定义为Transient模式。动铁芯从静止状态到阀口关闭的整个动态过程中，网格始终会处于重新划分状态，为了减少网格重新划分的数量并提高网格划分的质量，需要在AnsoftMaxwell软件中创建一个Band来包围所有运动的物体，在运动过程中运动物体不能穿出Band，而且Band也不能与静止物体相交，且band内的材料选择Vacuum（真空）［5］。此外激励源也需要重新设置，执行Excitations里面的Add winding，在Type中选择Voltage和Stranded，在Voltage（电压）中填入24 V，线圈的电阻值的大小为25 mΩ、Coil中的绕组匝数为150匝。选中Band，右键选择Motion setup/Assign band，为Model设置参数。至此基本完成对永磁式喷油电磁阀的暂态建模工作。

4.1 设置运动属性

以直角坐标系作为动铁芯运动参考坐标系；移动铁芯的运动方式是沿Z轴做上下运动；Z轴方向设为运动的方向；因为在动态计算过程中划分的网格长度不能被压缩到0，因此，暂态仿真时运动距离应按无限接近于气隙的长度值进行设置；通过分析和测量，其中移动铁芯主要包括动铁芯和上顶杆，其质量一共为0.001 8 kg，运动阻尼设置为0；在运动过程中受力设为-（K×position+F），其中K为弹簧的刚度值，F为预压缩量的弹簧力，负号表示的是受力方向与运动正方向相反［6］。中间液体的粘度阻尼系数约为0.82，弹簧的阻力系数约为-25 n/m，1.82为预警量。最后通过弹簧的受力得出计算公式为：

负载力=-25×(position×1 000+1.82)

图7 暂态模型

在建模之后，单击Validate，检查之前所有设定的参数是否存在错误，在没有错误之后，单击Analyze，即开始计算机仿真运算［7］。

4.2 重要因子参数化分析

初始数据为：线圈匝数150匝，永磁体距离环形铁芯高度0.04 mm，线圈距动铁芯垂直高度0.14 mm，动环铁芯间隙0.1 mm，移程0.1 mm。以下优化只改变单一参数，其余参数不变，以探究某参数变化对电磁力的影响。

4.2.1 改变线圈匝数

不同匝数所对应的位移曲线如图8所示。不同匝数所对应的电磁力随时间变化曲线如图9所示。

图8 不同匝数所对应的位移曲线

图9 不同匝数所对应的电磁力随时间变化曲线

由图可知随着匝数的增加，电磁力稳步增加，响应时间减小［8-9］。但过高的匝数将会使线圈的占积率增大，增加体积和制造成本。由于在一定的匝数内，响应时间一样，故选择在相同响应时间内的最低匝数，此次选择匝数为180匝，响应时间为120μs。

4.2.2 线圈位置分析

线圈距动铁芯高度与电磁力的变化曲线如图10所示。

图10 线圈距动铁芯高度与电磁力的变化曲线

4.2.3 永磁体位置分析

永磁体距环形铁芯高度与电磁力的变化曲线如图11所示。

4.2.4 动环铁芯间隙分析

动环铁芯间隙与对应电磁力的变化曲线如图12所示。由图可知，线圈与动铁芯的高度和动环铁芯间隙的增加均使得电磁力减小，但过小的间隙将会给安装带来不便［10］。

图11 永磁体距环形铁芯高度与电磁力的变化曲线

图12 动环铁芯间隙与对应电磁力的变化曲线

4.3 优化对比

经过分析最后选定的参数为：线圈匝数180匝，永磁体距离环形铁芯高度2 mm，线圈距动铁芯垂直高度0.12 mm，动环铁芯间隙0.06 mm。可分析优化前后的位移曲线与电磁力曲线分别如图13、14所示。

图13 位移曲线对比

图14 电磁力曲线对比

由上面分析可知，优化后的模型跟优化前的模型相比：响应时间减小25%，为120μs。电磁力增加9.86%，为87.24N。阀体体积减小106.1 mm3。

5 结论

介绍永磁式电磁阀的基本结构，从电磁阀的数学模型出发，利用有限元分析软件对电磁阀的形状、材料、线圈、气隙等参数进行优化。经过对比，优化后的电磁阀体积有所减小，降低了制造成本，电磁力和响应速度增加，对于车用喷油阀来说，可大大提高电控燃油喷射系统的控制精度，增加其产品竞争力。