第34卷第5期2008年10月空间控制技术与应用AerospaceControlandApplication收稿日期:2008205220作者简介:张榛(1983-,男,湖南人,助理工程师,研究方向为推进技术(e2mail:3203zhen@163.com。电磁阀动态响应特性的有限元仿真与优化设计张榛(北京控制工程研究所,北京100190摘要:利用有限元分析软件Maxwell2D/3D计算电磁阀的动态响应特性,仿真出其工作电流曲线和磁化曲线,并进行变参数化设计,由此可实现对电磁阀设计方案的评估和优化。通过对比仿真结果和产品实测数据,证明了这种有限元设计方法行之有效。关键词:电磁阀;有限元分析;优化设计;动态响应中图分类号:V229文献标识码:A文章编号:167421579(20080520053204FEASimulationofDynamicResponseofSolenoidValveandItsOptimalDesignZHANGZhen(BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190,ChinaAbstract:AmethodusingfiniteelementanalysisinMaxwell2D/3Disofgreatbenefittooptimaldesignofsolenoidvalveandevaluationofscheme.Theworkingcurrentcurvesandmagnetizationcurvesareobtainedinthisway.Bycomparisonbetweenthetestdataandsimulationresults,theanalysismethodisprovedtobeeffective.Keywords:solenoidvalve;finiteelementanalysis(FEA;optimaldesign;dynamicresponse1引言电磁阀作为航天器推进系统中控制气体和液体介质流动的主要执行部件,其电性能直接影响航天器的工作效率和使用寿命。以往设计电磁阀时,主要是利用经验公式与解析计算确定阀门的各项性能参数,再通过样机试验进行验证和修正。若指标不满足要求,则需要更改原设计方案,这样势必延长产品的研制周期,增加成本,降低效率,即使满足指标要求,也缺少比较方案,无法实现优化设计。使用Maxwell2D/3D电磁仿真软件的瞬态磁场模块进行有限元计算[1],不但可以利用数值分析验证设计方案的优劣,还可以修改各种机械尺寸和电磁参数进行变参数化设计,既准确又直观,能够实现多方案比较和优化设计。2性能评估及优化设计的理论依据2.1电流曲线电磁阀的励磁线圈是感性元件,通电后,电流按照指数曲线从零开始增加,衔铁所受到的电磁吸力也相应上升。当电磁吸力上升至足以克服负载力时,衔铁开始运动,并切割磁力线产生很强的反电势,使电流急剧下降,直至衔铁完全吸合。之后,电流继续按指数曲线增至稳态。衔铁的释放过程与吸合过程相似。通过这种机电耦合的关系,可以把阀门内部的机械运动与电流变化情况相关联。监测励磁线圈上加载的电流在时域上变化的情况,可获得电流曲线,如图1所示。图1典型电流曲线由电流曲线可以知道阀门的开启和释放的响应时间T1和T2,电流储备系数K=Im/I1以及时间常数Tc=T0lnKK-1,这些参数都是反映阀门性能优劣的重要指标。2.2工作点设计忽略漏磁通,整个磁路中各处的磁通相等,这样就可将阀门磁体内部磁势Fc与磁通Ф的关系曲线以及非工作气隙磁势Fμ与磁通Ф的关系曲线叠加,即Ф-(Fc+Fμ曲线,其中(Fc+Fμ表示磁势35空间控制技术与应用34卷不做功部分。将Ф-(Fc+Fμ曲线与工作气隙磁化曲线Ф-Fδ(表示磁势做功部分画在同一个坐标系,如图2所示。在横坐标轴上取OA等于总磁势IW=Fc+Fμ+Fδ,以点A为起点,以Ф-Fδ曲线的斜率相反数为斜率,做线段AB与Ф-(Fc+Fμ曲线交于点B,则点B即为电磁阀的工作点。图2电磁阀的工作点阀门的工作点是指电磁吸力克服负载力,使阀门开始打开的工作位置。工作点的设计决定了阀门的工作效率,最优工作点的位置一般应取在Ф-(Fc+Fμ磁化曲线的膝点(即斜率发生变化的拐点附近,则磁化曲线进入饱和段,使磁势大部分都消耗在不做功的(Fc+Fμ上,降低了效率;如果工作点在膝点以下,则相比同样质量的阀门只输出较小的有用功,没有充分利用阀门质量。电流曲线和工作点的位置是评估电磁阀性能的主要判据。因此如果通过Maxwell的瞬态仿真获得阀门的电流曲线并找到其工作点,就可以非常直观地对阀门的设计方案进行评估以及优化。3有限元分析3.1建模建模时,合理简化模型,省略掉与磁路无关的沟槽与倒角,这样可大量节约硬件资源,避免给网格分割与计算造成较大的负担。对于轴对称结构或在某个方向上尺寸较小的模型可优先使用2D模型和求解器计算,这样可以在保证精...