車用電磁閥有限元分析

中北大學機械與動力工程學院 任海濤 張翼

1 引言

為確定該企業的電控液壓閥的電壓閥能夠正常工作，本文對電磁閥的電磁場進行了有限元分析計算，得到電磁力，驗證其合理性，同時分析了工作氣隙和安匝數對電磁力大小的影響。

2 電磁閥的結構和工作原理

該電磁閥主要由殼體、復位彈簧、線圈、線圈架、隔磁環、動鐵芯和定鐵芯組成。（如圖2.1所示）

圖2.1 電磁閥結構圖

該電磁閥工作原理為：通過電磁力和彈簧的復位力驅動動鐵芯，并帶動推桿移動，以達到閥的開啟與閉合。在給線圈施加電流之前，在彈簧作用下，動鐵芯與定鐵芯處于分離狀態，動鐵芯下端推桿的球閥與閥座緊密結合，使閥處于關閉狀態；給線圈施加電流后，隨著電流逐漸增加，磁場增強，定鐵芯對動鐵芯的電磁力逐漸增大，直到克服彈簧作用力和摩擦力，開始帶動動鐵芯向上運動，閥即被打開。

3 電磁閥有限元分析

3.1 電磁閥有限元模型

本文中將電磁閥簡化為軸對稱模型，對其進行計算分析。考慮到復位彈簧的相對磁導率與空氣的相對磁導率接近，將彈簧按空氣處理，對計算結果的影響可以忽略不計。為提高電磁場求解精確度，選定劃分網格的單元類型為PLANE53(四邊形八節點插值函數)，自由度選用AZ，且為軸對稱，簡化后建立模型如圖3.1所示。

圖3.1 電磁閥簡化模型

3.2 定義材料屬性

電磁閥有限元模型中有7種材料區域：定義空氣的相對磁導率為1；動鐵芯和定鐵芯材料為電磁純鐵，屬于軟磁材料，其磁化曲線如圖3.2所示；定義線圈的相對磁導率為1；線圈架相對磁導率為1；隔磁環相對磁導率為1；殼體材料為碳素鋼，相對磁導率為150。

圖3.2 B-H曲線

3.3 劃分網格求解

為各區域賦予材料屬性和單元屬性后，設置網格形狀和尺寸，用Mesh工具劃分網格，并對動鐵芯與定鐵芯靠近部位進行網格局部細化。加載過程中，首先定義動鐵芯為一組件，對其加載力學邊界條件；再對線圈施加電流密度；最后選擇外圍節點，施加磁力線平行條件。求解時選擇求解器，確定為靜態分析類型。求解后，在通用后處理中查看所有得出的結果，得到電磁力的大小、磁力線分布圖、磁通密度云圖和磁場強度云圖。圖3.3是氣隙為0.4mm時的相關結果。

磁力線分布圖

圖3.3 氣隙為0.4mm時計算結果

3.4 工作氣隙對電磁輸出力的影響

本文采用安匝數為1000NI時，將氣隙從0mm增加到2.7mm，使用ANSYS軟件計算得到相應的電磁力，結果如圖3.4所示：

圖3.4 氣隙長度——電磁輸出力關系圖

從圖中可以看出：當氣隙長度從0增加到0.4mm時，動鐵芯受力迅速減小，在這個區間內，隨著氣隙增大，電磁輸出力迅速減小；氣隙從1.6mm到2.7mm區間內，隨氣隙增大，電磁輸出力變化不大。

3.5 安匝數對電磁輸出力的影響

本文采用氣隙為0.4mm，電流值為0.35A的條件下，分別計算了線圈安匝數為500NI，1000NI，1500NI，2000NI，2500NI，3000NI，3500N I，4000NI，4500NI，5000NI時的電磁輸出力，來研究安匝數變化對電磁輸出力的影響。

圖3.5 安匝數——電磁輸出力關系圖

從圖中可以看出，安匝數小于1000NI時，電磁輸出力隨著安匝數的增加而增加的速度較快。隨著安匝數越來越大，電磁輸出力增量越來越小，即增加安匝數不能顯著提高電磁輸出力。這是由于軟磁性材料磁化的非線性，當安匝數增加到一定數值時，磁性材料的磁感應強度達到飽和狀態，此時安匝數增大，電磁輸出力變化就不太大。但線圈安匝數增大，發熱量也將增大，因此設計電磁閥時，應根據材料的飽和磁通量選擇安匝數，以保證增大電磁輸出力的同時有效控制線圈的發熱量。

4 結論

利用ANSYS軟件，對電磁閥進行分析計算，得到的計算結果顯示該電磁閥滿足工作要求，能夠正常的工作；同時還得到了安匝數和工作氣隙對電磁輸出力的影響曲線。

[1]孫明禮,胡仁喜,翠海蓉.ANSYS電磁學有限元分析實例指導教程[M].北京工業出版社,2007.

[2]金建銘.電磁場有限元方法[M].王建國譯.西安：西安電子科技大學出版社,1997.