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汽车空调电磁阀驱动性能仿真

摘要:电磁阀作为汽车空调压缩机实现排量调节的关键执行元件,其性能分析和结构优化有利于优化压缩机的排量控制。基于有限元分析法,建立电磁阀结构模型,探究电磁阀中的线圈结构、线圈匝数、输电电压等参数对电磁阀的响应时间、吸合时间、电磁力等特性的影响。结果表明,在相同条件下,T字形线圈结构的电磁力大于圆柱形线圈,可扩大电磁阀的使用范围。激励电压从4 V增加到12 V,T字形线圈的电磁力呈递增趋势,受力均匀性优于圆柱形线圈结构。线圈匝数与动静铁芯的吸合时间、吸合力呈正相关。

引言

近年来随着我国“一带一路”政策的带动,为满足不同地域、气候等国家对空调设备的使用需求与符合相关标准,探究电磁阀的特性显得尤其迫切。而电磁阀作为空调的核心部件,国内外的研究较少,刘曈昽等 [1]发现阀芯类型、行程和气隙对电磁阀输出性能的影响,有利于指导电磁阀的设计。杨琪等 [2]利用Ansoft Maxwell选出电磁阀驱动电压、电流等参数与线圈匝数的最佳组合。陈博闻等 [3]提出了一种最大电磁吸力密度的结构优化方法并通过数值仿真加以验证。冯振伟等 [4]提出一种可用于气动微流控芯片气压控制的PDMS电磁微阀并利用MATLAB/Simulink软件建立模型进行阀芯驱动力、响应特性等分析。孙宾等 [5]建立电磁阀流固耦合模型,开展热物理场数值仿真研究,并与实际测试结果进行比较,最大误差在7.0%以内,数值仿真模型准确度较高是行之有效的研究方法。YANG Meisheng等 [6]提出将弹簧设置在电磁铁动铁芯顶部的新型电磁阀结构,并建立可靠的数值模型进行仿真。E L等 [7-11]研究大量高速阀的结构与电磁特性的工作机理。WANG Q L等 [12]提出Al-Fe软磁材料,并对磁路结构进行优化,有效降低磁路的磁阻,提高磁导率,实现快速响应和强磁力。SUN Z Y等 [13]探究驱动电流和电磁阀的结构参数包括铁芯长度、磁极截面积等对静态电磁特性的影响,得出输入电流的大小是电磁场的主要影响因素。电磁力对电磁阀的性能至关重要,是衡量电磁阀性能的重要指标,设计更大的电磁力来提高电磁阀的快速性、更低的启动电压成为研究热点。而电磁力的产生又跟电磁阀线圈结构中产生的励磁有关,因此对电磁阀线圈结构特性的研究和性能分析显得尤为重要。本研究以Maxwell电磁有限元软件中的式(1)~式(4)作为电磁场分析的出发点,结合实测结果与经验,建立电磁阀2D结构模型,研究线圈结构、匝数、输入电压等参数对电磁阀的电磁力、响应时间、吸合时间等性能的影响。通过分析电磁阀主体结构的磁感应强度、磁力线的分布,量化线圈结构、驱动电压、匝数对电磁力、负载力、线圈电流、动铁芯位移及运动速度的影响。为空调电磁阀的开发提供参考。

(1)

(2)

▽× D= ρ

(3)

▽× B=0

(4)

1 研究对象

研究对象为常见的柴油发动机电磁阀,其电磁铁主体结构如图1所示。电磁阀的主体结构由动铁芯、隔磁套管、静铁芯、线圈、外壳体、主体、波纹管等组成。该电磁阀利用载流铁芯线圈产生的电磁力对机械装置进行调节与控制,以完成预期设定动作。其主要工作原理为:当通电时,线圈会产生励磁作用,进而随之产生的电磁力会使固定铁芯吸合动铁芯,促使阀门打开,制冷剂开始作用,在达到设定温度值后,线圈断电,电磁力消失,阀针在弹簧的作用下,将阀体通道堵住,关闭制冷剂循环,从而起到调节温度的作用。

图1 电磁铁主体结构

2 电磁阀的数值模型

为研究电磁阀主体结构在通电过程中的磁场分布规律、磁感应强度及电磁铁的吸力特性,基于Maxwell模块对电磁阀进行数值仿真与磁场、磁场力等性能分析。为简化仿真模型,电磁阀的主体结构简化为:骨架、棒和求解的区域均采用真空材料,线圈采用铜质材料,活塞、线圈垫片、导管、挡铁、外壳和动铁芯均使用软磁合金材料为C12L14,该材料的磁化曲线如图2所示。

图2 C12L14的磁化曲线

因电磁阀主体结构为轴对称结构,根据实际尺寸建立二维轴对称模型。一些螺纹、倒角因不影响计算精确度,在建模时将其进行简化,简化后的模型对周围空气建模充分考虑了漏磁的影响。因动铁芯在运动过程中,在动态计算时网格总是在不断重新划分,为减少网格划分数量和提高网格质量,建立二维瞬态磁场仿真模型与网格划分如图3所示。采用二维结构化网格计算,网格总数6000,网格质量在0.75以上。动铁芯在全程做直线运动,运动围绕坐标系为整体坐标系,运动方向选择 Z轴正方向。运动的初始位置为[ x=0, z=0],动铁芯运动行程为 Z轴正方向0.76 mm处,其坐标为[ x=0, z=0.76],动铁芯的质量为0.034 kg,忽略运动摩擦阻力;运动过程中受力根据胡克定律 f= Kx可表示为 F=-( K1z1+ K2z2), K为复位弹簧的刚度值,其中 K1为动铁芯与静铁芯之间弹簧的刚度值, K1=710, K2为静铁芯与波纹管之间弹簧的刚度值, K2=400,负号表示受力方向与运动正方向相反。动铁芯的工作气隙为0.76 mm,模型中的线圈绕组匝数为890匝,线圈激励电压为6 V,电阻为10.9 Ω。

图3 电磁阀的二维瞬态仿真模型与网格划分

3 计算结果分析

模拟结果包括线圈匝数恒定的情况下,圆柱形线圈结构和T字形线圈结构的比较、改变线圈匝数10个工况,线圈匝数恒定的条件下,改变线圈结构对电磁力、响应时间、吸合时间等性能参数的影响,以及结构参数一定的情况下,电压对性能参数的影响。

图4 不同线圈结构的磁力线分布图

在额定参数一定的情况下,圆柱形线圈结构与T字形线圈结构的电磁阀磁场分布以及磁力线分布如图4~图5所示。从图4磁力线的分布图可以看出不同的线圈结构均存在漏磁现象,但T字形线圈结构的电磁阀在线圈集中的动铁芯运动区域内磁力线比较集中,且漏磁小。从图5可知圆柱形线圈结构与T字形线圈结构的电磁阀的磁感应强度最大值分别为1.4 A(Wb/m)和1.5 A(Wb/m)。

图5 不同线圈结构的磁感应强度分布图

在动铁芯的工作气隙为0.76 mm、驱动电压为 6 V 的情况下,波纹管受到的负载力 F2、动铁芯所受到的电磁力 F1、运动速度 v、位移 s及回路电流 I随时间 t的变化关系分别如图6~图10所示。虚线表示圆柱形线圈各参数的变化情况,实线则为T字形线圈各参数的变化情况。综合分析可知,改变电磁阀线圈的结构,在相同的工况下动铁芯的各项性能参数随时间的变化趋势基本一致。在圆柱形线圈结构中,由于线圈中存在电感,电流逐渐由0增加至0.2435 A后呈线性增加并在8 ms时线圈电流达到0.2667 A,动铁芯动作后,速度逐渐变快随后增加至267.0261 mm/s,在9.6 ms 时与静铁芯吸合,运动终止,运动速度为0。即动铁芯的运动时间为1.8 ms,触动时间为8 ms,吸合时间为9.8 ms。

T=20 ms时,T字形线圈与圆柱形线圈的电磁阀各参数值如表1所示,从表中可以看出T字形线圈的电磁力为9.4575 N较于圆柱形线圈8.5363 N提高10.8%,吸合时间提前0.1 ms。电磁阀的开启电流与吸合电流仿真测试结果与采用单次触发测试法实测均值的相对误差均在5%以内,数值仿真结果具有一定的参考价值,具体如表2所示。(测试设备为数字示波器UTD2102-CEL,测量精度为±0.1 mA)根据麦克斯韦吸力 F的的表达式:

表1 优化线圈结构前后的各参数变化情况

表2 开启电流与吸合电流仿真测试结果与

实际测试均值的比较

图6 时间与电磁力的变化曲线图

图7 时间与负载力的变化曲线图

图8 时间与速度的变化曲线图

图9 时间与位移的变化曲线图

图10 时间与电流的变化曲线图

其中:

从图11不同驱动电压下电磁阀吸力 F和线圈电流 I随时间的变化趋势可以看出,在其他参数一定的情况下,随着激励电压 U从4 V增加到12 V,T字形线圈受到的电磁力逐渐递增,受力均匀具有良好的可控性。在相同的激励电压下,T字形线圈结构的电磁力比圆柱形线圈结构大,且随着时间的增加而增加。线圈的电流随着时间的增加出现先增加后减少,然后再递增的趋势,主要是由于激励电压输入时,电磁力小于动铁芯的重力与弹簧的反作用力 f1= K1x1,未发生触动;当动铁芯开始运动时,由于做切割磁感线而产生反向电流,因此线圈电流出现先增加后减少的趋势,触动点时间随着激励电压的增大而减少。

图11 驱动电压对电磁铁性能的影响

根据电磁铁磁感应强度计算公式:

(5)

其中, N为励磁线圈匝数; I为励磁电流,A; Le为有效磁路长度,m; μ为铁心的磁导率。从图12可看出线圈匝数 N对电磁铁性能的影响,在线圈激励参数和结构恒定、激励电压为6 V,电阻为10.9 Ω的情况下,随着线圈匝数从850匝增加到970匝,步长为40匝,工作气隙为0.76 mm时,动静铁芯的吸合时间随匝数增加而增加至10.0 ms时趋于稳定,随后吸合时间与电流呈线性,且在850匝时吸合力最优。线圈匝数与吸合时间、吸合力的关系如表3所示。

表3 线圈匝数与吸合时间、吸合力的关系

图12 线圈匝数对动铁芯性能的影响

4 结论

本研究利用Maxwell有限元分析软件对汽车空调电磁阀上的主体结构进行二维瞬态磁场与特性仿真分析,得出以下结论:

(1) 通过改变磁场强度来影响电磁力,而电磁力可以通过增加线圈的匝数来改变。在匝数一定的情况下,改变线圈的结构且电磁力大小与线圈匝数之间的关系接近线性,T字形线圈的结构更有利于提升局部电磁场强度;

(2) 电磁力与激励电压成正比例,额定工况下,T字形线圈受到的电磁力比圆柱形线圈结构大,呈逐渐递增,且随着电压的增加而增加,T字形结构线圈的电磁力线性效果更加受力均匀具有良好的可控性,同时扩展电磁阀的激励电压范围;

(3) 改变电磁阀的响应时间以及应用电压范围,除改变电磁阀的磁感应强度,还可以改变动铁芯与静铁芯、静铁芯与波纹管之间弹簧的弹性系数,调节T字形线圈结构的梯度角等将是接下来的研究重点。

作者:林 涛1,2,文传涛1,韩凤琴1

1.华南理工大学广州学院电气工程学院

2.华南理工大学电力学院

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