直動型電磁泵吸力可靠性分析

      電磁泵性能要求高,它的性能直接關系到一些電器準確性,繼而影響到電器的正常工作。因而設計高性能的電磁泵尤為重要。

在電磁泵的設計中,最關鍵的部分是電磁鐵的設計。電磁鐵是依靠電磁系統中產生的吸力,使銜鐵作機械運動,從而對外做功的裝置。為使電磁鐵可靠的工作,在銜鐵吸合過程中,電磁吸力一般應大于負載反力,但不宜超過太多,否則將會導致銜鐵吸合時發生嚴重的撞擊;在銜鐵釋放運動過程中,負載反力必須處處大于剩磁產生的電磁吸力。

電磁泵,微型電磁泵

1、電磁泵的工作原理及設計參數

直動型電磁泵的電磁鐵結構如圖1 所示。該電磁泵為螺線管式直流電磁鐵:主要由線圈、銜鐵、外殼、閥座、彈簧及 O 形圈組成。 

 電磁鐵結構

電磁泵的工作原理為:當電磁泵通電時,線圈組件與銜鐵組成磁路產生的吸力使銜鐵離開閥座,液路通道打開,相應流量的介質從閥座出口孔進入下游,從而提供要求的流量。斷電后,線圈組件與銜鐵組成磁路產生的吸力消失,銜鐵關閉,液路被切斷,無流量輸出。

 

2、電磁泵二維靜磁場仿真

Ansoft Maxwell 作為電磁場有限元軟件之一,在各個工程電磁領域得到了廣泛的應用。Ansoft  Maxwell基于麥克斯韋微分方程,采用有限元離散形式,將工程中的電磁場計算轉化為矩陣求解,可計算電磁力、轉矩、電容和電感等物理量,還能以云圖、矢量圖等形式繪制標量電位、電場強度、磁力線、磁通密度、能量等物理量的分布結果,同時還可以用來分析電磁裝置的靜態、穩態、瞬態、正常工況和故障工況的特性。為研究電磁泵吸力可靠性,需要進行其靜磁場分析。

根據上述電磁泵設計的結構尺寸建模,外殼與線圈骨架在實際裝配時為過盈配合、緊密接觸,且都為靜止件。因此在建模時將它們進行布爾加操作視為一體,建立二維靜態磁場仿真模型,如圖2 所示。仿真模型按默認設置成網格,如圖 3 所示。

設置 materials,擋鐵、外殼和銜鐵用軟磁合金 IJ117,由于材料庫中沒有該材料,需要根據材料的 BH 曲線加以定義;線圈為 copper;其余的零件和 background為 vacuum。完成邊界條件、電流源、求解項目設置后,求解電磁泵銜鐵工作氣隙為 0.12 mm、磁勢為 136 A 時磁場的分布結果如圖 4、5 所示。

 電磁閥的結構

由圖 4、圖 5 可以看出磁感應強度的分布,在銜鐵與擋鐵形成的工作氣隙處,外殼處的磁感應強度最大,為 1.1 T 左右,磁壓降大部分集中在工作氣隙處,整個電磁泵的磁感應強度分布值在軟磁合金 IJ117 的最佳使用范圍內,符合設計要求。從電磁泵的磁力線分布圖中可以清楚地看到整個電磁泵在通電過程中的漏磁現象。

設置工作氣隙為 gap,安匝數為 currentin,它們均為變量。電磁泵吸力特性參數化求解結果如圖 6 所示。

 電磁泵吸力特性參數化求解結果

 

圖 6 中 IW 為電磁鐵的吸合磁勢。從圖 6 中可以看出,電磁泵的靜態特性吸力曲線比較陡峭,當 IW 一定時,氣隙越小,電磁力就越大;氣隙一定時,IW 越大,電磁力就越大,所以減小氣隙、增加線圈的匝數或增大電壓可以增大電磁泵的吸力。由于電磁泵的氣隙大小與電磁泵流阻等有關,線圈匝數與電磁泵的結構尺寸等有關,因此這些參數的取值最終需要通過優化設計來確定。

從圖 6 中還可以看出,線圈磁勢超過 221.6 A 時,即使再增加線圈匝數,電磁泵的吸力增加也很小,這是因為電磁泵的磁感應強度已趨于飽和。 

 

總結:

我們利用有限元分析軟件對某種直動螺線管式電磁泵進行了二位靜態特性仿真,并對吸力仿真計算值與實際測試值進行了可靠性評估,得出結論如下:

a)從仿真計算中得出的電磁泵的磁感應強度分布圖、磁力線分布圖及電磁泵的靜態特性吸力曲線中可以看出電磁泵的吸力值大于設計要求值。

b)用正交試驗法及 Ansoft Maxwell 得出電磁泵吸力值,并對該吸力仿真計算值進行了可靠性評估,得出其點估計和置信估計,并進一步得出電磁泵線圈匝數和銜鐵運動行程是影響吸力大小的主要因素。

c)對電磁泵吸力實際測試值,進行了可靠性評估,得出其點估計和置信估計。

d)對比電磁泵吸力仿真計算值和實際測試值的點估計和置信估計,前者點估計比后者點估計略微為大些。前者可靠性下限略大于后者可靠性下限,主要是由于前者計算時沒有考慮銜鐵側向吸力產生的摩擦力的緣故及仿真時各因素的取值范圍比實際產品各因素實際范圍較大的緣故。

e)通過改進仿真方法及縮小仿真計算時各因素取值范圍,吸力仿真計算結果能較真實地反映實際產品的吸力可靠性。

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