影響高速開關閥響應特性的主要設計參數分析

李娜娜, 冀 宏, 魏列江, 劉新強, 劉亞斌

(蘭州理工大學 能源與動力工程學院， 甘肅 蘭州 730000)

引言

以高速開關閥橋為先導級的數字比例閥抗污染能力強，可靠性高，易于制造，控制方法靈活，是工程機械等裝備數字化、智能化發展中的核心元件。而高速開關閥作為數字比例閥先導級橋路的唯一組成元件，其高頻響是制約數字比例閥控制性能的主要因素。

長期以來，學者們在提高高速開關閥響應頻率方法上做了大量研究，主要包括改善結構、材料、控制方法等。在結構方面，LANTELA T等[1]提出一種大流量、高響應的先導操作型數字閥；HAINK C等[2]提出了一種基于單向旋轉閥芯的新型PWM開關閥以提高響應頻率；VOLKOV V Y等[3-6]使用特殊材料和特殊結構來制作電磁執行機構，實現更快的響應；MAN J等[7]在電磁執行器中使用了永磁體殼，改善高壓應用時閥的動態性能；KOGLER H等[8]設計了一種具有特殊隔磁環位置的高速開關閥，加快了響應速度。國內，吳帥等[9]研究了高速開關電磁鐵的最優結構和參數；阮健等[10-12]對一種二維閥的結構及參數進行優化設計，實現了快速響應；劉曉鵬等[13]提出一種音圈電機直驅高速開關閥，有效縮短了高速開關閥響應時間；方洋等[14]對高速開關閥動態特性進行了仿真研究，分析了驅動電壓、黏性阻尼系數等參數對高速開關閥響應特性的影響。

以上對高速開關閥電磁鐵部分結構參數進行了分析與優化以增大電磁力，但是單純的增大電磁力只能對高速開關閥運動過程中的某一個階段響應速度加快，并不能使閥芯在考慮運動各階段的總體響應速度加快，且以上對擋鐵結構參數的研究并未提及。

本研究以高速開關閥橋式數字比例閥中二位二通常閉型高速開關閥為對象，以提高高速開關閥響應速度為目標，分析了線圈與銜鐵結構參數、復位彈簧剛度、擋鐵環形接觸面積對高速開關閥運動各階段響應速度的影響規律。

1 高速開關閥結構及工作原理

本研究二位二通常閉型高速開關閥結構如圖1所示，其工作原理為：給高速開關閥線圈6提供PWM激勵電壓，高電平時，線圈通電，其周圍產生磁場，銜鐵4被磁化，強化磁場，利用封套1、銜鐵4、擋鐵7與閥外圍磁軛3形成閉合磁路，產生足夠的電磁吸力，克服彈簧力，使銜鐵向右與擋鐵吸合，推動推桿11及鋼球8向右運動，從而打開閥口；低電平時，線圈斷電，在電感作用下，線圈電流逐漸減小，電磁力逐漸減小并消失，當彈簧作用力大于電磁力時，推桿及鋼球向左運動，銜鐵逐漸釋放回復至初始位置，高速開關閥閥口關閉。通過控制PWM激勵電壓信號的占空比，控制銜鐵吸合與復位的頻率，從而控制高速開關閥閥口的開關頻率，最終控制高速開關閥的平均輸出流量和壓力。

1.封套 2.線圈骨架 3.磁軛 4.銜鐵 5.隔磁環 6.線圈 7.擋鐵 8.鋼球 9.彈簧 10.閥套 11.推桿 12.氣隙

2 高速開關閥理論分析

高速開關閥從結構上主要分為三部分：電磁、機械、液壓流體部分。為了研究高速開關閥設計參數對其響應性能的影響，忽略液壓流體對銜鐵組件的作用，因此本次理論分析及建模主要從以下兩部分進行。

2.1 電磁部分

高速開關閥線圈通電，使得線圈周圍形成電磁回路，從而產生電磁力。根據磁路歐姆定律，可得高速開關閥電磁部分的等值磁路，如圖2所示。

圖2 高速開關閥電磁部分等值磁路

由基爾霍夫電壓定律可得控制電路模型為：

(1)

式中，R—— 線圈內阻

I—— 線圈電流

L(c) —— 線圈感應系數

L(c)表達式為：

(2)

式中，c—— 氣隙長度,c=c0-x

c0—— 初始氣隙長度

x—— 銜鐵位移

N—— 線圈匝數

A—— 氣隙有效截面積

μ0—— 氣隙導磁系數，其值為4π×10-7

Wb/(A·m)

因構成氣隙的截面為圓環形截面，考慮氣隙的邊緣效應，計算氣隙的有效截面積為：

A=π×(r+c0)2

(3)

式中，r—— 構成氣隙截面的較小截面半徑

磁通Φ主要分為兩部分：一部分為鐵芯內部的有用磁通Φm，另一部分為漏磁通Φl。產生磁通量所需要的總磁勢為：

F=NI=Hclc+Hala+Hgc

(4)

式中，lc—— 鐵芯長度

Hc—— 鐵芯磁場強度

la—— 銜鐵長度

Ha—— 銜鐵磁場強度

Hg—— 氣隙磁場強度

根據圖2可得，磁路中磁通量為：

(5)

式中，Rc—— 鐵芯磁阻

Rg—— 氣隙磁阻

Ra—— 銜鐵磁阻

lc,la—— 鐵芯和銜鐵長度

Ac,Aa—— 鐵芯和銜鐵橫截面積

則由磁場產生的電磁力：

(6)

式中，W—— 磁場儲能

2.2 機械部分

利用牛頓第二定律，建立高速開關閥動態平衡方程，可得：

(7)

式中，Fm—— 電磁力

Fk—— 彈簧力，Fk=K(x0+x)

K—— 復位彈簧剛度

x0—— 彈簧預壓縮量

m—— 銜鐵、推桿與鋼球組件總質量

3 高速開關閥模型

3.1 高速開關閥聯合仿真模型建立

為了分析設計參數對高速開關閥響應特性的影響，在ANSYS Electronics電磁場仿真軟件中建立二維高速開關閥瞬態分析簡化模型并進行網格劃分，由于高速開關閥沿z軸對稱分布，為提高計算效率，只建立1/2模型。銜鐵運動區域(Band域)對計算結果的精確度影響較大，因此對運動區域網格進行細化處理，總體計算模型及網格結構如圖3所示。選擇高速開關閥各組成部分材料：線圈為銅，線圈骨架為聚四氟乙烯，銜鐵、封套、擋鐵均為導磁性能好又具有快速退磁特性的軟磁純鐵，隔磁環為不銹鋼。

圖3 高速開關閥電磁計算模型及網格結構

3.2 初始計算條件與線圈激勵信號

如圖3所示，銜鐵沿z軸做直線運動，取z軸正方向為速度正方向，因此設置銜鐵運動域為0～-0.25 mm，線圈驅動信號為PWM脈寬調制信號。高速開關閥初始計算參數如表1所示。

表1 高速開關閥的初始計算參數設定

為了提高閥響應速度，采用直流24 V與12 V雙電源供電，利用Maxwell Circuit軟件設計高速開關閥線圈激勵電壓外部電路，如圖4所示，當銜鐵處于初始位置時，為了使銜鐵快速吸合， 給線圈提供24 V直流電壓信號； 當銜鐵與擋鐵吸合后， 給線圈提供12 V、10 kHz的高頻PWM信號，使得銜鐵以較小電流保持在吸合狀態；當銜鐵復位時，將24 V直流電壓源反接在電感線圈上，給線圈提供短時反向24 V電壓信號，以達到快速退磁、提高閥關閉速度的目的。

圖4 高速開關閥線圈激勵電壓外部電路

圖4中，v1～v4為0～1 V脈沖電壓源，vt1～vt5為電壓表，s1～s6為壓控開關，D1～D10為二極管，L為高速開關閥電感線圈，R為線圈內阻。在壓控開關上反向并聯二極管，消除電感線圈在接通或斷開時產生的沖擊電流，對開關進行保護。在銜鐵吸合階段，s2，s3，s5同時閉合，其余開關斷開，給線圈提供24 V直流電壓；2 ms后銜鐵吸合，s2斷開，s1閉合，給線圈提供12 V高頻脈沖電壓，使線圈以較低的電流保持吸合狀態；10 ms后，s1，s2，s3，s5斷開，s4，s6閉合，給線圈提供瞬時反向24 V電壓，使銜鐵快速釋放。

將高速開關閥瞬態仿真模型與外部電路所設計激勵電壓電路進行動態鏈接，設置銜鐵運動最大位置為0.2 mm，運行時間為20 ms，進行聯合仿真，可得線圈實際電壓信號與閥芯位置響應曲線，如圖5所示。

圖5 線圈驅動電壓

圖5位置響應曲線中負號表示所研究高速開關閥銜鐵向z軸負方向吸合；td1為閥開啟延遲時間；ton為閥開啟時間；td2為閥關閉延遲時間；toff為閥關閉時間；高速開關閥響應時間t=ton+toff。

3.3 高速開關閥模型驗證

1) 電磁特性

經過仿真計算，得到8 ms時高速開關閥磁力線及磁感應強度分布，如圖6和圖7所示。

由圖6可知，高速開關閥線圈在通電時，線圈周圍磁通經過封套、銜鐵、擋鐵與外圍磁軛形成閉合磁路，且離繞組越近的導磁體表層磁通量越大。擋鐵固定，從而對銜鐵產生向右的電磁吸力，克服銜鐵慣性力，使銜鐵向右運動，與擋鐵吸合，推動推桿和鋼球運動，從而使閥口打開；線圈斷電時，電磁力逐漸消失，銜鐵釋放，在復位彈簧的作用下，閥口關閉，銜鐵回復到原位。由圖7可知，在銜鐵吸合的過程中，氣隙處磁感應強度最大，從理論上驗證了所建模型的正確性。

圖6 高速開關閥磁力線分布

圖7 高速開關閥磁感應強度分布

2) 試驗驗證

搭建高速開關閥測試試驗臺，如圖8所示。閥輸入24 V PWM信號，由于電流不方便直接測量，因此在高速開關閥線圈上串聯1 Ω電阻，利用100 MHz采樣頻率的示波器測量電阻兩端的電壓，可得通過高速開關閥線圈的等效電流，如圖9所示。

圖8 高速開關閥測試試驗臺

圖9 實測高速開關閥線圈電流

由圖9可知，當線圈通電后，電流快速增大，使銜鐵吸合，氣隙逐漸減小，電感增大，線圈電流開始減小，直至銜鐵完全吸合，此時電感保持不變，線圈電流又開始增大，直至驅動電壓信號變為高頻脈沖信號，線圈電流保持在以高頻脈沖信號占空比確定的平均電流值附近。由此可見，由于實際高速開關閥參數與仿真設計參數不同，因此實測電流值與仿真電流值有所差別，但實測線圈電流變化趨勢與仿真所通電流變化趨勢一致，驗證了所建模型的正確性。

4 高速開關閥響應特性分析

為了定量分析影響高速開關閥運動各階段響應特性的主要因素，以高速開關閥線圈不通電時銜鐵的位置為零初始位置，線圈通電時銜鐵向右運動為吸合過程；線圈斷電，銜鐵在彈簧作用下向左復位為釋放過程。

4.1 線圈匝數對高速開關閥響應特性影響

設置線圈匝數分別為300，400，500，對高速開關閥進行仿真計算，可得線圈感應電流和閥芯位置響應曲線，如圖10所示。當線圈匝數從300增大至500時，其增量為67%，后續分析中為了更接近實際值，各項設計參數均取整數進行計算，所得結果統一折算至67%進行分析。

由圖10可知，當線圈匝數從300增加至500時，線圈的感應系數增大，電流的增大速度減小，峰值電流減小，從而導致電磁力減小，因此銜鐵吸合速度變慢，閥開啟時間由1.08 ms增加至1.38 ms；但是由于感應系數增大，在激勵電壓消失時，電感越大，其對電壓減小的阻礙作用增強，使得銜鐵釋放時延遲時間加長，閥關閉時間由2.4 ms增加至2.85 ms，其中延遲時間由1.11 ms增加至1.53 ms。可見，當線圈匝數增加67%時，高速開關閥開啟時間延長27.8%，關閉時間延長11.6%，總響應時間延長21.6%。

圖10 不同線圈匝數時高速開關閥響應

4.2 線圈內阻對高速開關閥響應特性影響

在其他設計參數不變的狀態下，設置線圈內阻分別為6，8，10 Ω，對高速開關閥進行電磁仿真計算，得到線圈感應電流與閥芯位置響應曲線，如圖11所示。

由圖11可知，隨著線圈內阻由6 Ω增大至10 Ω，線圈峰值電流略有減小，高速開關閥銜鐵吸合速度變慢，閥開啟時間由1.21 ms增大至1.26 ms，變化不明顯；在銜鐵吸合之后，大的線圈內阻導致線圈電流迅速下降，電磁力大幅減小，銜鐵釋放速度加快，從而縮短了閥關閉時間，使其由2.66 ms減少至2.22 ms，其中延遲時間由1.4 ms減小為1 ms。可見，當線圈內阻增大67%，高速開關閥開啟時間增加4%，關閉時間縮短16.5%，總響應時間縮短10.1%。

圖11 不同線圈內阻時高速開關閥響應

4.3 閥芯質量對高速開關閥響應特性影響

設置閥芯質量分別為10，20，30 g，對高速開關閥進行仿真計算，可得線圈感應電流和閥芯位置響應曲線，如圖12所示。

由圖12可知，閥芯質量由10 g增加至30 g時，銜鐵慣性力增大，啟動電磁力增大，因此啟動電流略有增大，其吸合速度減小，閥開啟時間由1.04 ms增加至1.38 ms；銜鐵釋放時大的質量導致回復加速度變小，關閉時間由2.12 ms增加至2.75 ms，其中延遲時間變化不明顯。經折算可知，隨著閥芯質量增大67%，高速開關閥開啟時間增加11%，關閉時間增加9.9%，總響應時間增加10.3%。

圖12 不同閥芯質量時高速開關閥響應

4.4 復位彈簧剛度對高速開關閥響應特性影響

設置復位彈簧剛度分別為20，30，40 N/mm，對高速開關閥進行仿真計算，可得線圈感應電流和閥芯位置響應曲線如圖13所示。

由圖13可知，當復位彈簧剛度由20 N/mm增加至40 N/mm時，對線圈感應電流及電磁力沒有影響，銜鐵吸合速度相同，開啟時間為1.24 ms基本保持不變；但是剛度增大導致銜鐵回復力增大，回復加速度變大，銜鐵釋放速度變快，閥關閉時間由2.71 ms減小至2.21 ms，其中延遲時間基本不變。經折算可得，復位彈簧剛度增大67%時，高速開關閥開啟時間不變，關閉時間減小12.4%， 總體響應速度加快8.7%。

圖13 不同彈簧剛度時高速開關閥響應

4.5 環形接觸面積對高速開關閥響應特性影響

所研究高速開關閥銜鐵與擋鐵吸合時，接觸面為環形接觸面，不同的接觸面積會產生不同的電磁力，從而導致高速開關閥響應特性不同。分別設置環形接觸面的面積為10.93，14.07，16.96 mm2，對高速開關閥進行仿真計算，可得閥芯位置響應曲線，如圖14所示。

圖14 不同接觸面積時高速開關閥響應

當接觸面積由10.93 mm2增大到16.96 mm2時，電磁力增大，銜鐵起動峰值電流略有減小，銜鐵吸合速度加快，閥開啟時間由減小1.23 ms減小至1.21 ms；由于面積增大導致線圈感應系數增大，因此銜鐵釋放延遲時間增長，閥關閉時間由2.40 ms增加至2.59 ms，其中，延遲時間由1.06 ms增加至1.25 ms；經折算可知，當接觸面積增大67%時，高速開關閥開啟時間縮短2%，關閉時間增加9.6%，總體響應速度降低5.7%。

4.6 磁軛厚度對高速開關閥響應特性影響

設置高速開關閥磁軛厚度分別為4，6，8 mm，對高速開關閥進行仿真計算，可得線圈感應電流和閥芯位置響應曲線，如圖15所示。

由圖15可知，當磁軛壁厚由4 mm增加至8 mm時，線圈感應電流和銜鐵位置各階段響應基本沒有變化，這是因為離線圈最近的導磁體構成的磁路上磁通量最大，這與圖6所得到的磁場分布規則一致。

圖15 不同磁軛厚度時高速開關閥響應

5 結論

本研究對所述高速開關閥工作原理進行了理論分析，通過ANSYS電磁仿真軟件建立了高速開關閥軸對稱二維瞬態電磁學模型， 通過理論分析和試驗測試驗證了模型的正確性；利用Maxwell Circuit軟件，基于雙電源供電設計了高速開關閥線圈三激勵電壓電路，采用聯合仿真的方法對高速開關閥進行瞬態模擬計算，對影響高速開關閥運動各階段響應特性的主要因素進行了研究，得到以下結論：

(1) 線圈匝數對高速開關閥響應速度的影響最大，隨著線圈匝數增加67%，高速開關閥開啟時間和關閉時間均延長，總響應時間延長21.6%；

(2) 線圈內阻、閥芯質量與復位彈簧剛度3個因素對高速開關閥響應速度的影響次之，隨著線圈內阻和復位彈簧剛度增大，高速開關閥響應時間減少，響應速度變快；隨著閥芯質量增大，高速開關閥響應時間增大，響應速度變慢；

(3) 環形接觸面積對高速開關閥總響應時間影響較小，隨著接觸面積增大，高速開關閥總體響應時間略有增加；

(4) 磁軛壁厚對高速開關閥運動各階段響應時間基本沒有影響。