車用電磁閥的設計研究

劉曈昽，馬文科，劉英山

(西華大學汽車與交通學院，四川成都 610039)

0 引言

電磁閥在液壓與氣動系統的整個工作過程中起到了舉足輕重的作用。電磁閥產品涉及的物理學領域較多，內容較抽象，制造和裝配的工藝較復雜，這也是國產電磁閥一直需要攻克的重點及難點問題。因此多數環節都會成為影響產品設計性能的關鍵。在電磁閥產品設計過程中，合理布置產品設計結構和選取最優設計方案對產品的輸出性能有著十分顯著的影響。

1 設計原則

普通電磁閥在工作過程中，電磁力的保持是通過消耗電能來維持[1]。根據磁場磁化作用的特性和設計要求，為減少設計體積、提高工作效率，一般只利用磁場吸引力作為電磁閥工作原理的基本依據。相比利用排斥力作為基本原理而言結構更簡單、工作更可靠。

車用電磁閥產品的使用主要針對發動機空氣流量控制、燃油系統的供給量控制和熱管理系統中的導熱劑流量控制等。由于汽車產品在設計過程中空間較為有限，在工作過程中的工況較為復雜，所以車用電磁閥必須工作可靠、尺寸合理、節能環保。

發動機的進氣系統有這樣幾個環境特點：震動較劇烈、氣體壓力波動較大、氣壓波動頻率范圍較廣、對于自然吸氣發動機表現為負壓進氣等。

2 基本原理

電流的磁效應是電磁閥工作的基礎，而電磁場的基本特性在電磁閥的設計過程中也需要重點考慮，電磁力的表現分為吸引力和排斥力。而這兩種效果力都可以作為設計電磁閥工作的力學基礎。但由于工程上排斥力的產生和控制比吸引力復雜，所以一般選取電磁吸引力作為設計理論基礎。工作過程中，通過結構件將電磁吸引力傳遞給最終的工作執行件——閥芯，實現控制閥門開啟和閉合。

閥芯的工作過程是通電螺線管在通電過程中使螺線管內的工作執行件磁化形成磁極，使磁極與磁極之間在磁場作用下形成相對作用力而驅動閥芯工作。依據電磁閥初始狀態和電磁閥所承擔的工作任務，電磁閥產品一般分為常閉型和常開型。

2.1 常閉型電磁閥結構

圖1所示的結構設計方案已取得專利。在未通電的情況下閥芯通過彈簧的機械回復力使閥門保持關閉的狀態，通電時在電磁吸引力的作用下將動鐵芯拉起使閥門處的通道打開,原理如圖1所示。

圖1 常閉型電磁閥一般結構

2.2 常開型電磁閥結構

常開型電磁閥與常閉型電磁閥相反，在通電時要使閥芯將閥門通道封堵，而未通電時在機械回復力的作用下使閥門保持暢通。通電時要使閥芯運動至使閥口封堵的狀態，這時需要一個推力來推動閥芯從初始位置運動到封堵位置，由于電磁排斥力運用較為復雜而一般只利用吸引力來拉動執行件運動，需要將電磁吸引力的拉力通過機構轉化為推力來推動閥芯運動[2]，設計方案如圖2所示。

圖2 常開型電磁閥一般結構

3 設計過程中的重難點問題

為了滿足更高要求的性能，實現體積小、質量輕、功耗低、精度高、易維護、壽命長等特點，產品整體輸出性能的好壞遵循“木桶效應”，所以設計過程需要對重難點環節進行逐一加強。

3.1 電磁力計算方法

工程計算方法主要是在產品設計初期計算電磁鐵的電磁力，對結構參數進行優化設計減少產品試制周期。工程上電磁力的計算通常包括3種方法：經驗公式法、磁路分割法和有限元法。

(1)經驗公式法[3-4]

穩態工作時電磁鐵的吸力：

(1)

式中：N為繞組匝數；I為電流強度(A)；S為磁路截面積；δ為氣隙長度(m)；Kr為磁漏系數(根據經驗一般取1.2～5.0)。

經驗公式法的計算較為簡單，但計算精度一般不高，需要有較多的經驗設計參與。

(2)磁路分割法

磁路分割法的基本原理與電路原理類似，存在串聯和并聯兩種連接方式。但在計算過程中磁阻的計算會對電磁吸力的計算造成嚴重的影響。將整個磁路通過氣隙分割成若干個具有簡單幾何形狀的磁體，通過公式計算各部分的磁阻，再通過各部分的連接關系確定總磁阻[5]。其中磁阻的計算公式為

(2)

式中：R為磁阻；μ為導磁介質的磁導率；Lm、Sm分別為磁介質的長度和截面積。

設計過程中磁阻的計算與電阻的計算非常類似。對于有螺線管結構的滑閥，一般根據勵磁電壓、線圈匝數和漆包線線徑，可以確定電磁閥的最小結構尺寸。

(3)有限元法

計算電磁鐵吸力通常是采用經驗公式法，但經驗公式法一般只能反映某些特定的結構，不能直觀地表示磁場的分布狀況。對于一些較復雜的結構往往計算結果與實際差異較大，而不同材料的選用也會帶來很大的差異。有限元法可以模擬和仿真實況特征，直觀地描述器件在工況中的場強分布和磁漏情況，可以對設計結構做出較有效的評估[6]。

有限元法在實際運用中有著較顯著的優勢，模擬結果既能考慮到材料的非線性特征，也能較準確地解算出磁漏效應和磁場的空間分布。而磁路分割法一般用于設計初期的評估，可以較明顯地反映和確定磁勢降低的主要結構區域。而經驗公式法的使用需要設計者有較多的設計經驗才能保證產品的設計質量，一般來說經驗公式法較為簡單[7-8]，但不太容易準確評估設計方案的可靠性。

3.2 氣隙對執行件電磁吸力的影響

通常電磁滑閥所用的磁極式電磁鐵直接驅動執行件工作，所以要有足夠的吸力和良好的反力匹配特征十分重要[9-10]。在設計過程中選擇合理的磁極結構，形狀、行程和氣隙則是重點因素。

從圖3可知，平頭動鐵芯的行程和氣隙是相等的，所以閥芯最大運動距離即為氣隙長度。

圖3 平頭動鐵閥閥芯結構

表1為某一尺寸平頭動鐵芯吸力隨氣隙變化的測試數據。平頭動鐵芯結構的電磁吸力隨氣隙的減小而迅速增大，因此在保證電磁閥最大行程不變的條件下可以通過采取一定的措施減小氣隙來增大電磁閥的電磁吸力[11-12]。在近距離作用過程中電磁吸力隨氣隙增大而迅速減小，由于近距離變化的時候作用力衰減較快[12]，所以設計閥芯運動行程時需要提高設計精度以保證產品的可靠性[13]。

表1 平頭閥芯的吸力隨氣隙變化的測試數據

3.3 閥芯錐角對執行件電磁吸力的影響

為增大電磁作用力，根據磁場折射定理設計出錐頭閥芯以滿足更高的設計要求[14]。圖4為閥芯的兩種設計方案。如圖4(b)所示在合理的錐角設計下，可以滿足閥芯行程大于氣隙的條件。亦可達到在同樣的工作行程下增加電磁作用力的效果。

圖4 閥芯類型

圖5為錐頭閥芯的設計方案，由于實際制造過程中一定會產生形位公差導致配對件的錐型面不能完全接觸，且圓錐錐尖在相對運動過程中可能會劃傷配合面引起較多的磁場散射[15-16]，所以在實際制造過程中將錐尖鈍化，并在配對件上留有過孔，如圖6(a)所示。

圖5 錐頭閥芯結構

圖6 閥芯吸力試驗工裝

根據理論分析設計一組對比試驗，驗證閥芯錐角對電磁吸力的影響。圖6(a)與圖6(b)所示的試驗裝置除閥芯類型不同外，其余結構均相同。試驗中為使閥芯配對件在工作時緊密配合，在動鐵芯錐孔底部開設直徑較小的圓柱形工藝盲孔，如圖6(a)所示[17-18]。測試模型對照組的結構示意圖如圖6所示。

根據圖6的設計方案，測試平頭閥芯和錐頭閥芯在不同電壓下的吸力。試驗數據如表2所示。

表2 平頭與錐頭鐵芯吸力隨電壓變化的試驗數據表

由于鐵芯配對件配合面之間不可能做到絕對平整，默認鐵芯配對件完全配合時表面法向距離為0.02 mm。由表2可知在完全配合時平頭鐵芯的吸力比錐頭鐵芯更大，在0～6 V的電壓范圍內均趨近于線性變化。通過分析表2數據，磁極之間近距離作用且要保證較大吸力的情況下首先選用平頭的閥芯設計方案[19]。

通過表3的試驗數據，可以明顯看出錐頭閥芯和平頭閥芯的吸引力變化趨勢和在相同行程下的差別。由于幾何關系，120°錐頭閥芯的行程大于氣隙，而行程的長度即為閥芯運動最大距離同時也決定了閥口開度的大小。因此，試驗中以行程長度作為參考標準。

表3 平頭與錐頭鐵芯吸力隨行程變化試驗數據表

由表3可知行程在0.2～2.0 mm內，120°錐角的錐頭閥芯吸力比平頭閥芯的吸力更大，當閥芯配對件距離較遠時，錐頭閥芯和平頭閥芯產生的電磁吸力近似相等且隨距離的增加而緩慢減小。

通過試驗發現，不同類型的閥芯結構在不同行程所產生的電磁作用力都有各自的特點。120°錐角的閥芯相比于平頭閥芯，在一定的行程范圍內有作用距離較遠且作用力較大的特點，適用于較長行程較大作用力的閥芯設計[20]。

4 結論

在電磁閥設計過程中有較多的難點環節，閥芯結構和行程會直接顯著地影響電磁吸力。通過試驗可知：錐型閥芯的使用條件較為有限，但在一定條件下可以顯著增強作用力和增大作用距離。而在制造過程中錐型閥芯配對件的制造難度比普通平頭閥芯較大且成本較高，所以在電磁閥設計過程中需要酌情使用錐型閥芯的設計方案。