水液压数字阀的电磁场数值研究

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2013年第41卷第9期 流 体 机 械文章编号： 1005—0329(2013)09—0025—04水液压数字阀的电磁场数值研究朱碧海。孟俊贤，姜 维，贺小峰，刘银水(华中科技大学，湖北武汉 430074)摘 要： 介绍了一种由2个二位三通换向球阀集成于一体的数字开关阀。该阀的阀体部分可作为电磁铁轭铁，衔铁部分可作为放大杠杆，从而使阀体和杠杆成为磁路的一部分。电磁线圈密封于阀体内，有良好的耐压性。因此，该阀适用于在海洋环境水下作业的液压系统。文中重点研究了位于电磁铁铁芯头部与衔铁接触处，能够咬合的特殊锯齿结构。

在不同结构和几何尺寸下，利用有限元分析软件ANSYS对于电磁铁铁芯和衔铁部分进行了电磁场数值分析，得出电磁吸力特性曲线。仿真结果表明，这种具有特殊锯齿结构的电磁铁，在咬合前期具有较大的吸合力，咬合后期吸合力逐渐减小，因此能减小撞击且具有较高的响应频率。

关键词： 数字开关阀；ANSYS；电磁场；锯齿结构；数值分析中图分类号： TH137 文献标识码： A doi：10．3969／j．issn．1005—0329．20l3．09．OO6Numerical Analysis of Electromagnetic Field of the Seawater Hydraulic Digital ValveZHU Bi-hai，MENG Jun—xian，JIANG Wei，HE Xiao—feng，LIU Yin—shui(Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)Abstract： The digtM switch valve integrated by two two-position-three·way ball valves was presented．The valve body cal act asthe heel piece of the electromagnet，the armature as the amplify lever SO that the valve body and the lever can be a part of themagnetic circuit．The electromagnetic coil is sealed in the valve boay，which has waterproof and pressure resistance performance.

Th erefore，this kind of valve can be fit for the hydraulic system in deep seawater．This paper proposes a saw—shaped structure inthe contact part between the electromagnetic COre and the arm ature．By using the Finite Element Method to analyse the numericalvalue of electromagnetic COre and armature，the characteristic curve8 of electromagnetic force brought by diferent structures andphysical dimensions can be obtained．Th e results 0f the simulation show that the electromagnet，with the saw-shaped structure，has large suction force in the previous stage and gradualy reduced force in the remain stage．This can help decrease the impaceand increase the response frequency.

Key words： digital switch valve；ANSYS；electromagnetic field；saw-structure；numerical analysis1 前言海水液压传动技术安全、环保及与海洋环境相容，尤其能够满足深海作业要求。由于海洋环境下水深压力高，潜水员很难亲 自操作水下作业机械u ，因此，需要具备具有 自动控制功能，由机器人操作的水下作业机械，海水液压技术能满足海洋水下作业机械的需求。本文研究的数字开关阀不仅可用于地面液压系统，更由于其特殊的密收稿日期： 2012—1l一27基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目(50975101)封结构，可适用于水下作业机械。

水液压伺服阀和水液压比例阀都因为加工精度高，且大多数情况下采用滑阀结构，很难克服阀芯与阀套的摩擦阻滞，影响其可靠性。数字阀本质上以开关阀的方式进行工作，因而结构简单，工作可靠；响应速度快，工作频率高；直接采用数码控制，能方便的与计算机系统连接，而且抗干扰能力强。但是，数字阀大多在高频率状态下工作，在控制大流量情况下有难度，因此多用作液压阀的FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013先导阀。

国外的日本小松制作所研制了海水液压伺服控制阀，该阀可实现流量的精确控制，且使用放大机构可获得较大流量。德国 Hauhinco公司研制了中高压、大流量纯水液压控制阀，压力 可达21MPa。德国 Marco公司生产了使用高水基乳化液为工作介质的双联电磁先导阀，此电磁阀由2个独立功能的先导阀共用一个阀体，阀体兼做电磁铁的铁芯，体积轻巧。本文在借鉴该公司此类阀结构的基础上，研究了一种用于海洋环境下的海水液压数字阀 。j。

本文研究的数字阀的电磁铁衔铁及铁芯部分的锯齿结构参照上文提到的德国Marco双联电磁先导阀的电磁铁部分。利用 ANSYS软件对电磁铁的铁芯、衔铁及阀体的不同结构和不同尺寸进行了有限元分析，得出衔铁和铁芯吸合部位有无锯齿，及锯齿疏密的不同对于吸合力特性的影响。

2 数字开关阀结构图 1为数字开关阀的结构示意。图中铁芯、衔铁及阀体组成一个E型拍合式电磁铁，阀体既作为铁芯线圈的耐压壳体，也作为先导阀的安装体，同时也作为电磁铁轭铁；衔铁采用力放大杠杆机构，以较小的电磁吸力经过杠杆放大之后推动阀球开启；阀芯采用球阀结构，具有较好的抗污染能力，高频响，且密封性好。线圈密封于阀体内，具有较好的耐压性，能够使用于水下环境中。衔铁、铁芯及阀体上端设计为可以互相咬合的锯齿状，充分利用气隙磁势，产生平稳的电磁吸力，减小吸合过程中产生的噪声和冲击，提高电磁铁的响应频率。

图 1 数字开关阀主体结构示意3 电磁铁结构普通结构的电磁铁啮合部分通常为平板结构，在吸合过程中容易产生较大噪声与撞击，降低电磁铁寿命，且工作频率不可太高。因此，本文中电磁开关阀的研究主要在于研究具有特殊结构的电磁铁，找出具有最佳静态特性的电磁铁结构。

本文研究的电磁铁结构形式如图2所示。衔铁、铁芯和阀体的上部做成可以相互咬合的锯齿结构，局部放大如图3所示。

图2 电磁铁结构示意■茸图3 锯齿结构局部不意锯齿结构可以实现电磁铁磁导由小到大，再由大到小的变化，从而使整个吸合过程平稳进行。

本文设定锯齿结构的变化参数为齿距 A、齿隙 6、沟槽深度 t和衔铁厚度。研究电磁铁的7种不同结构对吸力特性的影响。其中，结构 1为无锯齿结构，结构2—7为锯齿结构。结构参数见表 1。

表 1 电磁铁结构参数结构 齿锯 齿间距 沟槽深度 衔铁厚度 备注类型 A(mm) 占fmm) t(mm) (mm)衔铁及铁 结构 1 0 0 O 5芯为板式结构 2 2．9 O．2 1．5 5结构 3 2．9 O．2 2．5 5结构4 2．9 0．1 1．5 5结构 5 1．9 0．1 1．5 5轭铁磁路 结构 6 2
． 9 0．1 1．5 5 截面积较结构7 1．9 0．1 1．5 2．52013年第41卷第9期 流 体 机 械4 电磁场数值分析方法及模型4．1 电磁场数值分析方法电磁场的数值分析方法主要有：有限元法、边界元法和有限差分法。其中，有限元法是其中最有效、应用最广的一种数值计算方法 ]。本文选择有限元法对电磁场进行分析。

安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯电通定律和高斯磁通定律组成了麦克斯韦方程组其微分形式可由以下方程描述：× ：了+ (1)× ： 一塑 (2)‘×D =P (3)×B =0 (4)式中 ．，．一 传导电流密度矢量，A／m— — 位移电流密度D——电通密度，C／m卜 电场强度，V／m— — 磁感应强度，TP——电荷体密度，C／m定义矢量磁势 A和标量电势 ，可简化电磁场计算 ：B =V × (5)E=一 (6)式(5)，(6)可形成一个独立的电场或磁场的偏微分方程，方便求解。

矢量磁势 A和标量电势 定义后，可应用到法拉第电磁感应定律、高斯磁通定律、安培环路定律和高斯电通定律中。

经过推导，可分别得到磁场偏微分方程和电场偏微分方程：一 o -
_ _ d=一 (7)一 一 詈 (8)得出方程(7)和方程(8)后，就可以利用有限元法进行数值分析求解，得到电磁场和电势场的分布，再经过后处理的过程，便最终可以得到磁感应强度、储能等各种电磁场的物理量。

4．2 电磁场数值分析模型(1)前处理文中使用三维设计软件 Pro／E建立电磁铁部分的几何模型，导入ANSYS后进行属性赋值和单元格划分等。计算结果精确度很大程度上由网格质量决定。在本文的电磁场分析中，阀体及空气层部分使用Free Mesh(自由划分)，衔铁和铁芯部分使用Refine mesh(精细划分)。线圈不进行网格划分，只通过一个有限元哑元单元 SOURCE36的定常数来定义。

(2)求解首先确定边界条件和加载激励源。本文中，使用 ANSYS对电磁场进行有限元分析时，假设磁通量在边界的方向是与边界平行的方向。因此，将全部面设定为通量平行，这是自然边界条件，自动得到满足。计算出磁势，输入至ANSYS作为激励源。

在 ANSYS中，可通过给待求力 的部分加Maxwel标志面来计算电磁力。Maxwel标志面并不是真正意义的载荷，而是给模型中待求力的部分加力标志。在本次分析中，将衔铁部分定义为一 个部件，再施加力标志L9J引。数字开关阀阀体部分的有限元分析模型如图4所示。

图 4 电磁法 分析模型(3)后处理通过 ANSYS可获得求解结果，并进行计算。

电磁场相关参数，如气隙处最大磁感应强度、气隙处最大磁场强度，衔铁吸合力等的具体数值都可通过 ANSYS的后处理器获得。

5 数值计算结果及分析气隙高度为衔铁末端处衔铁锯齿与阀体锯齿的距离最大值。衔铁在吸合过程中所处位置不同，气隙高度就随之变化。7种结构的吸合力归纳起来 ，如图5所示。

FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013善‘R-气隙高度(mm)图5 多种电磁铁结构衔铁吸合力曲线5．1 无锯齿结构结构 1的曲线为类反比例函数曲线，吸合力F随气隙高度 的增大而减小。也就是说，当线圈得电后，衔铁与铁芯产生吸合力，气隙高度开始减小。在由初始的 =1．8mm逐渐减小至 =0．3mm的过程中，电磁铁吸合力随之增加。这是因为在气隙减小时，气隙磁导增大，相应的磁场强度增大。在无锯齿的平板结构中，近似的可认为气隙接触面积保持不变，衔铁所受吸合力逐渐增大。这种结构的电磁铁具有的力特性易在吸合时产生较大冲击。

5．2 有锯齿结构从图5中电磁铁结构 2、4、5、6及结构7的曲线可以看出，线圈得电后，在未咬合阶段时，由于气隙减小，磁导增大，衔铁所受吸合力逐渐增大；在开始咬合的瞬间，也就是气隙高度 =0．9或=1．2时达到最大吸合力。锯齿开始咬合后，由于锯齿结构的影响，衔铁与铁芯之间的气隙变成了2个部分。如图6所示，气隙 1会产生对衔铁的吸合力，而气隙2会消耗较大磁势，并且对衔铁没有产生吸合力，故得到图5中的吸合力曲线。

气图6 气隙示意从结构3的曲线可以看出，吸合力随气隙高度 的减小而减小。在衔铁吸合过程中，由于衔铁和铁芯沟槽过深，在吸合的初始状态就已经咬合，齿间气隙2一开始就已存在，故衔铁在吸合过程中所受吸合力逐渐减小。

此外，由图7和图8可以看出，在气隙高度为0．6～1．8ram时，带锯齿结构的磁通量密度大于无锯齿结构的磁通量密度，从而可以达到更大的吸合力，以较快速度吸合，提高响应频率。这是因为，当磁路的形式不同时，磁通的分布也不同。无锯齿结构空间较为开放，磁漏较大。锯齿状磁力线通路多，磁漏较小；且锯齿结构齿侧面的磁漏也会形成电磁力。故带锯齿结构会产生更大的吸合力，提高相应频率。

6 结论225E-05 ．40107 802138 I．203 1．604图 7 结构 1磁通量密度云图．330E一05．42657 ．853 1 37 1．28 1．706图8 结构 4磁通量密度云图(1)通过对电磁铁不同结构的数值分析，得到其吸合力特征。可以得知，电磁铁衔铁及铁芯设计为锯齿形状时，不仅可以满足电磁铁工作要求，并且使吸合过程更加平稳，提高响应频率；(2)由于衔铁作为力放大杠杆的影响，此种结构电磁铁的吸合力经杠杆机构放大后会比普通结构电磁铁的吸合力大；特殊的锯齿结构产生更大的磁感应强度，从而有更大的吸合力。因此，本文中研究的电磁阀在提高响应频率方面具有很大优势；在海洋这种特殊环境下，电磁铁铁芯和衔铁部分通常裸露于海水中，无法解决侵蚀问题，因此，研究使用高导磁率耐蚀合金的电磁阀是下一步研究的重心。

(下转第43页)2013年第41卷第9期 流 体 机 械 43排气压差小的工况。但在该工况范围内由于压缩机的进、排气压差很大，气量的提升空间有限，供气能力仅比定频机略高。

变频活塞压缩机在进气压力为 2—13MPa时，随着负荷降低能够自动调高主电机转速以获得较大的功率，确保了排气量的提升，减少了单位压降所用的时间，降低了无功损耗，减少了能耗。

4 结论(1)变频活塞式子站压缩机相对于液压活塞式和定频往复活塞式，具有平均排气量大、总运行时间短、低压进气段排气量大、低压进气段时间短及全卸气阶段能效比高等优点；(2)变频活塞式压缩机在不同进气压力下运行时，其排气量均大于液压活塞式和定频往复活塞式，因此变频机平均气量最大，耗能最小，能效比最优；(3)通过对子站系统用活塞式压缩机的对比分析，变频活塞式压缩机具备了智能、高效、节能等优势，而主电机转速变频范围越大，这一优势也将越明显。可以预期，在未来的CNG活塞式压缩机领域，变频结构的市场竞争力更强。

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作者简介：吴军(1959一)，男，高级工程师，硕士学位 ，研究方向为装备制造，通讯地址：610036四川成都市金牛区金富路166号四川金星压缩机制造有限公司。

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作者简介：朱碧海(1967一)，男，博士，副教授，主要研究方向为液压传动与控制技术，通讯地址 ：430074湖北武汉市华中科技大学机械学院液压与气动中心。

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