新型閥用電機械轉換器優化設計與分析

郗軍紅 馬先潤 姜曉涵

摘要：為滿足電磁閥驅動裝置電機械轉換器的驅動性能，提升電機械轉化器的響應速度與控制精度，本文提出了一種永磁體勵磁的動圈式電機械轉換器結構設計方案。建立了電機械轉換器有限元分析模型，以輸出電磁力的最大值與低波動為目標，對其各個部件進行優化設計，對其線圈骨架結構形式進行優化。本文對提升電磁閥性能提供了一定的思路。

Abstract： In order to meet the driving performance of the electromechanical converter of the solenoid valve drive device and improve the response speed and control accuracy of the electromechanical converter， this paper proposes a permanent magnet-excited moving coil electromechanical converter structure design. The finite element analysis model of the electromechanical converter is established， and the maximum value and low fluctuation of the output electromagnetic force are set as the goal. The various components are optimized and the structure of the coil skeleton is optimized. This article provides some ideas for improving the performance of solenoid valves.

關鍵詞：電機械轉換器;動圈式;永磁體勵磁;永磁體陣列

Key words： electromechanical converter;moving coil;permanent magnet excitation;permanent magnet array

中圖分類號：TM301.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0025-02

0? 引言

電機械轉化器作為電磁閥的驅動部件，其響應速度與輸出力精度直接決定電磁閥的響應速度與控制精度。譚草提出了一種高功率密度的動圈式電磁直線執行器[1-3]，此執行器可在短時間內供大電流以得到較大的輸出力，為提升閥用電機械轉換器的輸出力特性提供思路。李波等提出了電磁直驅變速系統，并對電磁直驅系統進行了深入優化研究，為直線電機優化提供一定思路。劉梁等對應用于氣體燃料發動機的配氣機構執行器進行了深入研究，通過優化執行器的性能從而提升氣體燃料發動機的性能，為解決電磁閥電機械轉換器優化提供一定思路。于振燕等從材料和磁化技術兩方面對電機進行分析設計，有效縮小了永磁體體積和提升了電機的輸出力，使得電磁閥的頻響特性得到提升，為提高電機械轉化器永磁體類型提供了思路。許珍等通過有限元分析的方法對電磁閥的結構部件及材料進行了分析，提供了一種通過仿真計算的方法解決電機械轉換器的分析方法。楊昆等通過遺傳算法對電磁閥進行優化，提供一種通過算法解決電磁閥優化的思路。

上述文獻對閥用電機械轉換器從結構設計和材料選擇及計算理論方面取得了進步，但在閥用電機械轉化器在驅動力密度，工作行程內驅動力波動量方面研究較少，限制了電磁閥的控制精度，且工作行程相對偏小，價格過高，難以在工程領域廣泛應用。

1? 結構與工作原理

本文中電機械轉換器采用永磁體勵磁，固定在外磁軛內側上的永磁體與內外磁軛共同形成磁場回路，通電線圈位于永磁體和內磁軛之間的氣隙磁場中。其工作原理為通電線圈在永磁體產生的磁場中受到力的作用，產生的電磁力經過線圈骨架、直線軸承傳遞出去，為電磁閥閥芯運動提供動力，實現對電磁閥閥芯的驅動。電機械轉換器的輸出力特性與工作氣隙磁場磁感應強度以及線圈輸入電流大小相關，可通過改變輸入電流大小得到不同的電磁力輸出，從而實現對電磁閥的控制，其結構組成如圖1所示。

為提升電機械轉換器的性能，本文中電機械轉換器永磁體采用Halbach陣列五環布置在外磁軛上，通過仿真計算可得此種方式排列的永磁體可以提升氣隙磁感應強度，永磁體的排列方式示意圖如圖2所示。由于聚四氟乙烯材料在強度和質量方面的優異特性，本文中選其作為線圈骨架材料，在保證強度的同時還可降低電機械轉換器動子質量，進而可提升電機械轉換器的響應速度。線圈輸入電流密度分別為1-10A/mm2。為降低電機械轉換器的渦流損耗與磁滯損耗，提高其能量利用率，其內外磁軛及端蓋材料選用磁導率高且不易生銹的發黑處理過的8號鋼材料，可提升電機械轉換器的工作效率且能放寬電機械轉換器的使用條件。

2? 仿真模型

本文中電機械轉換器采用有限元建模分析方法，通過有限元軟件建立電機械轉換器的三維有限元分析模型。模型中主要包含電機械轉換器內外磁軛材料及尺寸參數、永磁體材料及尺寸參數和線圈的電流及尺寸參數，在模型建立中考慮了電磁線圈通電時的電感。為保證電磁線圈產生的電磁力能夠精確的傳遞到閥芯上，對電機械轉換器的三種線圈骨架形式進行有限元分析，確定形變量最小的線圈骨架結構形式作為最終方案。

3? 電機械轉換器設計與分析優化

3.1 結構設計與參數優化

根據電機械轉換器的設計經驗大致確定其各部分的結構參數，在電機械轉化器外圍尺寸確定后，內部永磁體軸向尺寸和排列方式、線圈骨架工作氣隙及磁軛徑向尺寸對輸出力的峰值量及波動量有顯著影響。本文中電機械轉換器的Halbach陣列五環布置在外磁軛上與普通陣列布置的永磁體磁場強度對比，可大大提升工作氣隙的磁感應強度。在電機械轉換器外圍尺寸確定和內外磁軛尚不飽和的前提下，永磁體的徑向尺寸和線圈的電流密度形成相對矛盾關系。電機械轉換器的輸出力和其工作行程內的驅動力波動量存在不同一化的趨勢，需要根據電磁閥的驅動要求進行結構參數優化。

常規閥用電機械轉換器驅動力密度較低、工作行程內驅動力波動量較大，本文以電機械轉換器驅動力密度和其工作行程內驅動力波動量兩個量作為優化目標，采用遺傳算法解決兩個優化目標間的矛盾關系，從而確定電機械轉換器永磁體軸向各環尺寸分布、內外磁軛適宜尺寸及下端蓋適宜尺寸。遺傳算法從一個初始種群出發，不斷重復執行選擇、交叉和變異操作，使種群越來越接近某一目標，從而獲得最優解和滿意解。

在電機械轉換器外圍尺寸為50mm確定的前提下，結合其他電機電磁場的設計經驗，在計算過程中初步設定永磁體的的厚度尺寸為4.00mm，線圈骨架與永磁體和外磁軛之間的間隙確定為0.20mm，永磁體的軸向尺寸、內外磁軛及端蓋的優化參數范圍如表1所示。

將表1中的參數范圍輸入有限元分析模型中，并將其計算結果輸入遺傳算法優化模型，進行相互迭代計算。根據電磁閥的驅動要求，選擇驅動力較大且工作行程內驅動力波動量較小的結果，并結合相應的加工能力，對各個優化量進行篩選得到優化結果如表2所示。

3.2 最優尺寸的磁感應強度分析

電機械轉換器經過參數優化后，確定了各部分的尺寸，根據電機械轉換器的磁場分布云圖可見電機械轉換器內磁軛和下端蓋中有磁通密度幾乎為零的地方，為減輕電機械轉換器的整體質量，對內磁軛和下端進行縮短和打孔處理。

3.3 線圈骨架結構方案分析

電機械轉換器輸出的電磁力完全傳遞到閥芯才能保證電磁閥的響應速度與控制精度，對線圈骨架不同結構方案進行有限元建模，分析不同結構方案的電磁線圈骨架的剛度。根據現有線圈骨架結構形式初步確定三種線圈骨架的結構方案。通過線圈骨架剛度分析，本文所選方案線圈骨架的最大變形量為0.22mm，能夠較好的將電機械轉換器的輸出電磁力準確傳遞給電磁閥閥芯。

4? 驅動力力特征

經FEM分析，電機械轉化器線圈處于中間位置時，線圈輸入1-10A/mm2電流密度，根據電機械轉換器F-I輸出特性曲線圖，輸入電流密度和輸出驅動力具有很好的線性度，在電機械轉換器工作過程中，可根據輸入電流的大小控制驅動力的大小，進而控制閥芯運動，從而實現對電磁閥精確控制的目的。當輸入電流密度為10A/mm2時，輸出電磁力峰值達到80.81N，驅動力在工作行程內的最大波動量為4.90%，其輸出力特性適合電磁閥對電機械轉換器的要求。

5? 總結

本文提出一種新型動圈式電機械轉換器結構方案，建立其有限元分析模型，通過有限元分析的方法對電機械轉換器進行優化設計與性能分析。通過對電機械轉換器永磁體不同排列形式進行對比分析，為加強電磁線圈工作氣隙的磁感應強度，將電機械轉換器的永磁體采用Halbach陣列五環布置在經過發黑處理的外磁軛上。采用遺傳算法對電機械轉換器驅動力密度和其工作行程內驅動力波動量兩個量進行目標優化，優化結果表明輸入電流密度和驅動力具有很好的線性度，工作過程中可根據輸入電流的大小控制驅動力的大小，實現對電磁閥精確控制的目的。驅動力最大波動量較常規電機械轉換器性能有很大提升，可以很好地滿足電磁閥的比例驅動要求。

參考文獻：

[1]譚草，常思勤，劉梁，戴建國，顧春榮.高驅動力密度短時工作電磁直線執行器研究[J].南京理工大學學報，2016，40（05）：509-514.

[2]劉永騰，譚草，李波，葛文慶.基于STC單片機的電磁閥組控制器設計[J].機床與液壓，2021，49（02）：70-73.

[3]譚草，葛文慶，李波，孫賓賓.雙穩態線性力執行器靜動態特性[J].電機與控制學報，2020，24（06）：119-126，134.