基于电磁力分布的电磁阀衔铁结构逆向设计方法

摘要

本发明提出一种基于电磁力分布的电磁阀衔铁结构逆向设计方法，使用电磁场专业仿真软件ANSYS Maxwell，采用三维仿真模型，分析电磁力在衔铁上的分布规律，在磁轭区开梯形槽，设置电磁阀开启响应时间，关闭响应时间，控制信号关闭时刻电磁力大小需要达到的目标要求，针对电磁阀关键参数，利用仿真软件自带优化功能整体寻优，得到符合目标要求的最优解，进行验证后，得到衔铁减重百分比和电磁阀动态响应提高百分比，确定符合目标后得出衔铁结构的设计优化方法。本发明利用仿真软件自带优化功能，得出衔铁设计优化的最优解，简化实验数据的处理，提高实验的准确性；减小了衔铁运动的阻尼，提升电磁阀整体的动态响应特性。

权利要求

1.基于电磁力分布的电磁阀衔铁结构逆向设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1)使用电磁场仿真软件ANSYSMaxwell，采用三维仿真模型，分析电磁力在衔铁上的分布规律，所述使用电磁场仿真软件ANSYSMaxwell求解出电磁阀瞬间的电磁场，包括如下具体内容：S1.1)建立电磁阀的1/6模型；

S1.2)线圈、静铁芯、衔铁的材料设置；

S1.3)衔铁运动的最大位移设置；

S1.4)电磁阀运动件质量设置；

S1.5)电磁阀激励设置，通过模型计算出电磁阀衔铁在各个时刻电磁力分布的主要区域与次要区域；

S2)根据电磁力分布规律在电磁力分布少的磁轭区开梯形槽，梯形槽上底与衔铁圆心的水平距离为L0，下底距衔铁外缘的水平距离为L1，相邻两梯形槽的腰的间距的一半为L2；

S3)设置电磁阀开启响应时间，关闭响应时间，控制信号关闭时刻电磁力大小需要达到的目标要求；

S4)针对电磁阀关键参数，衔铁厚度h0、梯形槽几何参数L0、L1、L2，利用ANSYSMaxwell自带优化功能整体寻优，得到符合目标要求的最优解；

S5)利用ANSYSMaxwell软件，将最优解带入有限元模型进行验证后，得到衔铁减重百分比和电磁阀动态响应提高百分比，确定符合目标后得出衔铁结构的优化设计方法。

2.根据权利要求1所述的基于电磁力分布的电磁阀衔铁结构逆向设计方法，其特征在于，步骤S4)中所述整体寻优之前对衔铁厚度h0、梯形槽几何参数L0、L1、L2的取值范围进行选取，优化算法采用ANSYSMaxwell自带的优化算法。

说明书

基于电磁力分布的电磁阀衔铁结构逆向设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于电磁阀衔铁结构设计的技术领域，尤其涉及一种基于电磁力分布的电磁阀衔铁结构逆向设计方法。

背景技术

[0002] 喷油控制用电液电磁阀是柴油机电控喷油系统的关键部件之一，其动态响应特性直接影响电控喷油系统的喷油定时和喷油量等关键参数。若电磁阀开启响应时间过长，会导致针阀开启滞后时间增大，喷射定时的控制精度降低，系统工作的不确定性加大；若电磁阀关闭响应时间过长，则会引起喷油器断油不干脆，后期燃烧恶化，柴油机经济性和排放性变差。同时，在电磁阀开启和关闭过程，阀区燃油的流动是变截面非稳定瞬态的流动，开关响应时间越长，控制腔内的压力卸载或建立越不稳，多循环或多缸燃油喷射控制的一致性越差。

[0003] 影响高速电磁阀动态响应的主要因素为电磁阀驱动电路、工作气息大小、衔铁结构参数和静铁芯磁极横截面积等。由于衔铁作为磁路的一部分参与到电磁能的转化,希望衔铁厚度在一定范围内越大越好，但是厚度大，衔铁质量增加，不利于提升电磁阀动态响应特性,此外高速电磁阀为了保持较大的电磁力，衔铁端面与静铁芯端面一般要求较小的间隙(气隙)，且要求两者端面平行度很高，在液压油的环境中,两者之间易形成阻尼油膜,其对衔铁运动的动态响应特性影响大"，一种可行的方法是在衔铁上开孔或者开槽，以减小衔铁运动的阻尼,提升电磁阀动态响应特性，因此本发明权衡磁路磁阻，衔铁质量以及衔铁运动的阻尼三方面要求，先分析电磁力在衔铁上的分布规律，并基于此，进行电磁阀衔铁结构的优化设计。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种基于电磁力分布的电磁阀衔铁结构逆向设计方法，根据电磁力贡献大小逆向设计衔铁结构，开展衔铁结构优化的方法。

[0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于电磁力分布的电磁阀衔铁结构逆向设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

[0006] S1)使用电磁场仿真软件ANSYS Maxwell，采用三维仿真模型，分析电磁力在衔铁上的分布规律；

[0007] S2)根据电磁力分布规律在电磁力分布少的磁轭区开梯形槽，梯形槽上底与衔铁圆心的水平距离为L0，下底距衔铁外缘的水平距离为L1，相邻两梯形槽的腰的间距的一半为L2；

[0008] S3)设置电磁阀开启响应时间，关闭响应时间，控制信号关闭时刻电磁力大小需要达到的目标要求；

[0009] S4)针对电磁阀关键参数，衔铁厚度h0、梯形槽几何参数L0、L1、L2，利用ANSYS Maxwell自带优化功能整体寻优，得到符合目标要求的最优解；

[0010] S5)利用ANSYS Maxwell软件，将最优解带入有限元模型进行验证后，得到衔铁减重百分比和电磁阀动态响应提高百分比，确定符合目标后得出衔铁结构的优化设计方法。

[0011] 按上述方案，步骤S1)中所述利用仿真软件Maxwell求解出电磁阀瞬间的电磁场，包括如下具体内容：

[0012] S1.1)建立电磁阀的1/6模型；

[0013] S1.2)线圈、静铁芯、衔铁的材料设置；

[0014] S1.3)衔铁运动的最大位移设置；

[0015] S1.4)电磁阀运动件质量设置；

[0016] S1.5)电磁阀激励设置，通过模型计算出电磁阀衔铁在各个时刻电磁力分布的主要区域与次要区域。

[0017] 按上述方案，步骤S4)中所述整体寻优之前对衔铁厚度h0、梯形槽几何参数L0、L1、L2的取值范围进行选取，优化算法采用ANSYS Maxwell自带的优化算法。

[0018] 本发明的有益效果是：提供一种基于电磁力分布的电磁阀衔铁结构逆向设计方法，全面考虑了磁路磁阻、衔铁质量、衔铁运动阻尼三方面对电磁阀动态响应的影响，通过对衔铁开槽优化，避免衔铁端面与静铁芯端面之间形成阻尼油膜，减小了衔铁运动的阻尼，提升了电磁阀整体的动态响应特性；通过ANSYS Maxwell提前分析出衔铁电磁力的分布规律，避免了开槽优化时的盲目性；利用ANSYS Maxwell自带优化功能，得出衔铁设计、优化的最优解，简化了实验数据的处理，提高实验的准确性。

附图说明

[0019] 图1为本发明一个实施例的电磁力在衔铁上的分布规律图。

[0020] 图2为本发明一个实施例的磁轭区开梯形槽的示意图。

[0021] 图3为本发明一个实施例的三组电磁力以及衔铁位移随运行时间变化的曲线图。

[0022] 图4为本发明一个实施例的不同衔铁厚度与电磁阀动态响应关系图。

具体实施方式

[0023] 为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。

[0024] 本发明针对高速电磁阀设计需要兼顾磁路磁阻，衔铁质量以及衔铁运动的阻尼问题，基于电磁力在衔铁分布的规律，提出一种基于电磁力分布的电磁阀衔铁结构逆向设计方法，其具体包括如下步骤：

[0025] S1)使用电磁场仿真软件ANSYS Maxwell，采用三维仿真模型，分析电磁力在衔铁上的分布规律(见图1)。

[0026] S2)根据电磁力分布规律在电磁力分布少的磁轭区开梯形槽，梯形槽上底与衔铁圆心的水平距离为L0，下底距衔铁外缘的水平距离为L1，相邻两梯形槽的腰的间距的一半为L2(见图2)。

[0027] S3)设置电磁阀开启响应时间，关闭响应时间，控制信号关闭时刻电磁力大小需要达到的目标要求。

[0028] S4)由于衔铁内径r1、外径r2受限于其他结构参数的约束，本设计保持初始r1、r2不变，不将r1、r2纳入衔铁优化结构参数范畴内。只针对电磁阀关键参数，衔铁厚度h0、梯形槽几何参数L0、L1、L2，利用ANSYS Maxwell自带优化功能整体寻优，得到符合目标要求的最优解。

[0029] S5)利用ANSYS Maxwell软件，将最优解带入有限元模型进行验证后，得到衔铁减重百分比和电磁阀动态响应提高百分比，确定符合目标后得出衔铁结构的优化设计方法。

[0030] 进一步地，步骤S1)中利用仿真软件ANSYS Maxwell求解出电磁阀瞬间的电磁场，包括如下具体内容：

[0031] S1.1)建立电磁阀的1/6模型，使得计算效率大幅提高；

[0032] S1.2)线圈、静铁芯、衔铁的材料设置；

[0033] S1.3)衔铁运动的最大位移设置；

[0034] S1.4)电磁阀运动件质量设置；

[0035] S1.5)电磁阀激励设置。通过模型计算出电磁阀衔铁在各个时刻电磁力分布的主要区域与次要区域。

[0036] 步骤S4)中整体寻优之前需要对衔铁厚度h0、梯形槽几何参数L0、L1、L2的取值范围进行选取，优化算法采用ANSYS Maxwell自带的优化算法。

[0037] 实施例一

[0038] S1：使用电磁场专业仿真软件ANSYS Maxwell，采用三维仿真模型，分析电磁力在衔铁上的分布规律。

[0039] 目标是分析电磁力在衔铁上的分布规律，所以需采用三维仿真模型。为了简化模型，提高计算效率，建立电磁阀的1/6模型。通过计算得出1/6模型能够满足分析计算的要求，所以步骤中可直接使用该模型开展电磁阀衔铁设计研究。

[0040] 在仿真软件中进行有关设置时，设置线圈材料为纯铜，静铁芯与衔铁的材料为电工纯铁DT4C。全部模型的求解域为空气。根据电磁阀的工作气隙设置衔铁运动的最大位移。电磁阀运动件为衔铁与外阀芯，设置运动件总质量。已知运动件在电磁阀未通电时受到的复位弹簧预紧力的大小，设置运动件在运动过程中阻尼系数。在电磁阀激励设置方面，考虑静铁芯的涡流效应，设置静铁芯与衔铁有铁损。

[0041] S2：根据电磁力分布规律在磁轭区(电磁力分布少)开梯形槽。其几何参数为L0、L1、L2，单位均为mm。开槽后衔铁质量与梯形槽参数关系如下：

[0042] 通过S1的计算分析，环形电磁铁磁路主要分布在衔铁的磁轭间区，但也有少部分分布在衔铁磁轭区，在磁轭区的开槽势必会增加磁路磁阻引起电磁力增大速度变慢，从而导致电磁阀开启时间增加，但是衔铁质量减轻又会提升电磁阀开启响应速度，所以开槽后电磁阀开启时间增加还是减少不易判断。在关闭响应时间方面，由于控制信号关闭后，衔铁开槽增加磁路磁阻引起电磁力减小速度加快，加之衔铁开槽后运动件质量减小，电磁阀关闭响应时间一定会减少。

[0043] 为了分析衔铁磁轭区开槽对电磁阀动态响应速度提升的机理，开展衔铁厚度相同的三个对比组实验。

[0044] A‑衔铁开槽，质量＝m(假设)；B‑衔铁不开槽，质量>m；C‑衔铁不开槽，质量＝m。

[0045] 1、通过ANSYS Maxwell仿真软件分别绘制出三组电磁力以及衔铁位移随运行时间变化的曲线(见图3)；2、观察衔铁开槽后的最大电磁力是否符合控制信号关闭时刻电磁力的大小；3、观察1中B、C位移时间曲线，对比分析两组的动态响应时间。

[0046] 对于环形极柱电磁阀，不改变电路，其他结构参数，经磁轭区开槽后，衔铁减重，在磁轭区的开槽会增加磁路磁阻引起电磁力增大速度变慢，由上述实验可得电磁阀开启响应时间维持不变，但关闭响应时间下降幅度较大，减小了衔铁运动油膜阻尼的同也提升了电磁阀整体的动态响应特性。

[0047] S3：设置电磁阀开启响应时间，关闭响应时间，控制信号关闭时刻电磁力大小的目标。

[0048] S4：针对电磁阀关键参数，衔铁厚度厚度h0、梯形槽几何参数L0、L1、L2整体寻优，得到符合目标的最优解。

[0049] 1、计算不同衔铁厚度与电磁阀动态响应关系，绘制图4，选择计算的衔铁厚度取值范围；2、计算不同几何参数对衔铁电磁力分布的影响，选择梯形槽三个几何参数取值范围；3、利用ANSYS Maxwell自带优化功能，设置参数取值范围，求解多目标的最优解。

[0050] S5：将最优解带入有限元模型进行验证后，得到衔铁减重百分比，电磁阀动态响应提高百分比，控制信号关闭时刻电磁力下降百分比，电磁力需要满足维持电磁阀开启的最小电磁力，符合目标后进行加工开槽。

[0051] 以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。