比例电磁阀电磁铁结构参数对电磁力影响分析.pdf

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1、Analysis of electromagnet structure parameter of proportional solenoid valve impacting on electromagnetic force Zhiding Ying,Xianxiang Qiu 1.Tongji University,Shanghai,China 2.Tongji University,Shanghai,China Abstract One of the most important characteristics of proportional solenoid valve,which use

2、d in EP brake system of railway transit vehicles is that its electromagnetic force has certain smooth in the effective stroke.So that it can control the braking force of vehicle accurately.The paper analysed and showed that different electromagnet structures of proportional solenoid have different e

3、ffects on the smooth of electromagnetic force.Established different models of coilwinding and core hight-diameter ratio and then simulated in the environment of Ansoft.The final results show us the size of coilwinding and core hight-diameter ratio which can produce good electromagnetic force,and giv

4、e suggestions for reasonablely designing electromagnet structure of proportional solenoid valve.Key wordsProportional solenoid valve,Ansoft,Coil winding,Core hight-diameter ratio 比例电磁阀电磁铁结构参数对电磁力影响分析 应之丁 邱先祥 1.同济大学，上海，中国 2.同济大学，上海，中国 摘要 轨道交通车辆电空制动系统比例电磁阀重要特性之一是保证电磁力在有效行程内具有一定的平坦性，以实现列车制动力的精确控制。本文分析得

5、出不同电磁阀电磁铁部的结构对电磁力的平坦性有不同的影响，分别建立不同的线圈绕组和铁芯径高比模型，通过在 Ansoft 环境下进行仿真分析，得出具有良好电磁力特性的线圈绕组尺寸和径高比尺寸，为合理设计比例电磁阀电磁铁结构提供可参考的技术数据。关键词 比例电磁阀，Ansoft，线圈绕组，铁芯高径比 1引言 轨道交通车辆电空制动系统中电信号转换空气信号如采用比例电磁阀控制方案，对比例电磁阀性能要求很高，突出要求电磁阀电磁铁部产生的电磁力具有良好的直线性和平坦性。在电磁阀气压机械结构确定基础上，要实现比例电磁阀精确控制特性，最重要的技术就是分析电磁作用力与电磁铁结构关系、影响因素及技术参数、以及各个参

6、数组合优化等。通过优化电磁阀电磁铁各个组成零部件结构或尺寸，最终研制出满足列车制动控制精确和性能参数重复可靠的比例电磁阀。5 2比例电磁阀的工作原理及结构组成 比例电磁阀包括电磁铁部和供气、排气部，其工作原理是：电磁铁线圈通电，在动铁芯和固定铁芯之间产生磁通，并产生电磁力，将动铁芯吸向固定铁芯，动铁芯在移动过程中通过与其相连的柱塞动作打开通压力空气的阀口，最后在压力空气的作用下达到平衡，动铁芯停止位移。电磁铁线圈通电，产生吸引力放开供气阀，而供给压力空气。同时，压力空气返回到比例电磁阀的膜板室，将达到与电磁阀的吸引力平衡状态时会关闭供气阀，为此，可通过线圈的电流控制电磁阀吸引力之大小，即可以任

7、意2010 3rd International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System 978-1-4244-9162-9/10/$26.00 2010 IEEE PEITS2010 91设定空气压力。电空制动系统所用比例电磁阀的电磁铁部采用轴对称结构，如图 1 所示。其中，线圈及两个铁芯是它的核心组成构件，也是对电磁力影响最大的部分。Figure1.Sketch on axisymmetric structure of proportional solenoid valve 图 1 比例电磁铁

8、的轴对称结构简图 1外壳；2线圈；3端盖；4固定铁芯；5导杆；6套筒；7动铁芯 与开关电磁铁不同的是，比例电磁铁在动铁芯的有效行程内，其电磁吸力基本保持不变，只有通以不同的电流值时，电磁力才发生变化。为此，如何使得电磁铁吸力在有效行程内保持较好的平坦性成为研究的重点。本文也将从不同角度来探讨影响电磁铁电磁力特性曲线的因素。3比例电磁铁的电磁力的计算 3.1 电磁力的工程计算方法 线圈通电，铁芯被磁化，气隙两端的界面相当于N、S两极，由此产生促使它们相互靠近的吸引力，即铁芯上受到电磁吸力。因此电磁力与气隙间的磁通密度有关 3。工程中对电磁力的计算通常包括三种方法：经验公式法、磁路分割法和数值方法

9、。经验公式法对参数的选取要十分精确，一般只适合那些长期从事电磁阀研究的人员使用；磁路分割法即把磁路分割成形状简单的磁体，再利用磁阻经验公式计算各部分磁阻，由于它不能考虑磁性材料的非线性特征及精确计算磁阻和磁漏，只适合在设计初期对电磁力的估算；基于Ansoft的有限元分析方法，是利用数值插值等计算方法，能够综合考虑各种计算参数的影响，操作简单，计算方便、精确，适合使用并推广 1。3.2 基于麦克斯韦方程的有限元分析方法 麦克斯韦方程组是电磁场的基本理论，也是二维静磁场分析的基本方程组 2。它的微分形式为：(1)E=tB（2）H=J （3）D=（4）B=0 （5）J=t 式中：E电场强度 H磁场强

10、度 D电位移 B磁通量密度 J电流密度 电荷密度 它们之间的本构关系：B=H D=E J=E 其中：为介质的磁导率，为介质的介电常数，为介质的电导率。由于B的无散性，引入矢量磁位A，有 B=A （6）将（6）式及B=H代入（2）式中，有（1A）=J （7）对于轴对称问题，采用圆柱坐标系（r,z）进行分析，于是，上式可以写成：r1z1z(r)+Ar1r(r)+A1=（8）2AJ由此，求的矢量磁位A后，根据矢量磁位和磁感应强度B的关系可以得到：rABr=rrArBz=)(1 电磁场有限元计算的关键在于求的磁路各处的矢量磁位 A，在有限元模型求解时，运用数值插值计算磁路各处的矢量磁位 A，进而求的磁

11、路气隙处的磁感应强度 B，根据电磁力计算公式：022SBF=求得动铁芯上所受的电磁吸力。4电磁力影响因素分析及仿真 92电磁铁有效行程内的电磁力特性，不仅和电磁铁工作锥面的形状，吸合面位置以及材料选择有关，还与线圈绕组结构及铁芯结构有关。它们通过改变气隙间的磁通密度而影响电磁力特性。因此，为优化气隙中的磁通密度，以获得在有效行程内具有良好平坦性的电磁力，可以对其各影响因素进行优化分析。这里主要研究线圈绕组和铁芯结构的优化，并且在Ansoft环境下进行仿真分析 4 2。4.1 优化线圈的绕组 电磁力大小和线圈匝数以及匝电流有关，同样，当线圈的匝数确定后，不同的线圈绕组结构也将产生不同的电磁力。如

12、图2为线圈结构示意图，表1所示为几种不同的线圈绕组参数。Figure2.Sketch map of coil structure 图2 线圈结构示意图 Table 1.Different parameter of coil winding 表1 不同的线圈绕组参数 A B C D E F 长度:厚度 1.16 1.51 2.61 3.21 4.35 5.90 在这6种线圈绕组中，它们绕组长度厚度之比各不相同，但具有相同的线圈匝数。利用Ansoft有限元软件对其进行仿真，得到电磁力的变化情况：00.511.522.533.544.555.5-90-85-80-75-70-65-60-55-50-

13、45-40-35行程/mm电磁力/N ABCDEF Figure3.Electromagnetic force curve of different coil winding 图3 不同线圈绕组下得到的电磁力特性曲线 从仿真的结果可以看出，起初时当线圈绕组的长度逐渐增大而绕组厚度逐渐减小时，电磁力逐渐增大，并且有效行程内的最大电磁吸力偏差逐渐变小，即其平坦性逐渐变好；但是当超过一定值后，绕组长度继续的增大、厚度继续减小时，电磁力反而开始减小，同时有效行程内最大电磁吸力偏差逐渐变大，即平坦性开始变差。电磁力的大小和平坦性呈现先变好而后又逐渐变差的状态。进一步通过大量的仿真分析可以知道：线圈绕组的

14、长度与厚度之比在2.63.0范围内能产生较理想的电磁力。4.2 优化铁芯的高径比 相同材料不同体积的铁芯产生的电磁力不同，而具有相同体积但高度和直径比值（简称高径比）不同的铁芯产生的电磁力特性也不同。为了消除不同体积因素的影响，在电磁阀芯体积质量一定的前提下，根据铁芯高径比的不同，建立不同的模型，如图3所示为铁芯的轴对称模型（表2为其高径比参数）。Figure4.Axisymmetric model of core 图4 铁芯的轴对称模型 93Table 2.Different parameter of core hight-diameter ratio 表2 不同的高径比参数 a b c d

15、 高径比（H:2R）0.75 1.0 1.5 2.05 基于上述四种不同的高径比参数，在Ansoft环境下分别建立相应的模型并进行仿真分析，得到如下的的电磁力特性曲线：00.511.522.533.544.555.5-70-60-50-40-30-20-10010行程/mm电磁力/N abcd Figure5.Electromagnetic force curve of different hight-diameter ratio 图5 不同高径比下的得到的电磁力特性曲线 仿真的结果表明：当铁芯的高径比小于1时，在动铁芯的行程内，电磁力逐渐减小，最后甚至出现反向电磁力，完全偏离了预期值；当铁芯

16、的高径比等于1时，虽然电磁力的值比较大，变化趋势也基本符合比例电磁阀的要求，但是有效行程内电磁力波动较大，最大电磁力偏差较大，即它的平坦性较差；当高径比大于1并且逐渐增大时，电磁力有一定的下降，但其平坦性较高径比等于1时好了很多，且随着高径比的增大，平坦性也越来越好。进一步通过大量的仿真分析可以知道：铁芯的高径比值在1.62.0时，电磁力大小和平坦性是比较理想的。5结语 通过以上有限元仿真分析的结论，可以给电磁阀两个关键组成部分铁芯和线圈绕组的设计提供一定的思路。线圈的绕组的设计：在线圈匝数确定后，宜按照绕组的长度和厚度比值在2.63.0这一范围来设计线圈的绕组，以便能产生较为理想的电磁力。铁

17、芯的设计：应使它的高径比尽量在1.62.0之间，若对电磁力的平坦性即控制精度要求较高可以选取高径比值较大的；而对控制精度要求不高的话可以选取高径比值较小的，也可以优化电磁阀的整体外部结构，因为选取较大的高径比在横向尺寸变化不大的情况下增大电磁阀的纵向尺寸。同时，在综合考虑线圈绕组和铁芯结构的情况下，应尽量使得线圈绕组的长度与两铁芯长度和的一半相当为宜。参考文献 1 Lou Luliang,Wang Haizhou.Methods of Electromagnetic Force Calculation for Engineering ApplicationJ.Missile and Space

18、 Vehicle,2007(1)娄路亮,王海洲.电磁阀设计中电磁力的工程计算方法J.导弹与航天运载技术,2007(1).2 Liu Guoqiang,Zhao Lingzhi.Ansoft FEM Analysis for Engineering Electromagnetic FieldM.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2005.刘国强,赵凌志,蒋继娅.Ansoft 工程电磁场有限元分析 M.北京:电子工业出版社,2005.3 Jia Ruigao,Xue Qingzhong,ElectromagnetismM.Beijin

19、g:Higher Education Press,2003:230-235.贾瑞皋，薛庆忠.电磁学M.北京：高等教育出版社,2003：230-235.4 Zhang Qi.FEM Analysis of The Proportion of Electromagnet Force Based on AnsoftJ.Journal of Shenyang Normal University(Natural Science),2009,27(3).张齐.基于Ansoft 的比例电磁铁电磁力的有限元分析J.沈阳师范大学学报（自然科学版）,2009,27(3).5 Greg Schoenau,Rich Burton,Alireza Ansarian.Parameter estimation in a solenoid proportional valve using OLS and MLH techniquesC.5th International Conference on Fluid Power Transmission and Control.Zhejiang:Zhejiang University,2001.94