10.16638/jki.1671-7988.2017.13.041
基于AMESim的电磁阀性能仿真
郑海兵，黄光颖，彭帮亮
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）
摘要：文章介绍一种有限元与一维仿真相结合的仿真方案，对电磁阀磁头结构进行磁场建模仿真，对阀体结构进行CFD流场仿真，在AMESim中建立完整的电磁阀模型，导入电磁头特性数据，并用流量-压力降等特性数据进行阀体参数标定，AMESim模型可以进行PI、滞环、响应等性能研究及dither控制参数探索。
关键词：dither；电磁阀；AMESim
中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)13-120-03
The simulation of solenoid valve based on AMESim
Zheng Haibing, Huang Guangyin, Peng Bangliang
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )
Abstract: Using finite element analysis software combined with one-dimensional simulation software simulation analysis of solenoid valve performance.The finite element analysis software is used to simulate the magnetic field of magnetic head of the solenoid valve and analyze the CFD floe field of the valve body. Set up the complete solenoid valve model in AMESim of one-dimensional simulation software, import characteristics data of magnetic head to the mole and calibrate parameters of the valve body using flow-pressure drop and other the characteristics data.So as to further study the influence of dither on PI, hysteresis and response of solenoid valve.
Key words: solenoid valve; AMESim; dither
CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-120-03
引言
目前绝大多的液压控制系统中都应用电磁阀作为系统的关键控制元件，而电磁阀作为液压控制系统中非常重要的控制元件，其性能的优劣直接到关系液压系统的响应速度，执行器动作过程的控制精度，对液
压系统的性能表现有至关重要的影响。
电磁阀大多采用PWM信号控制方式，在设计电磁阀或应用电磁阀过程中要对其性能有较为充分的了解，以指导系统控制参数的制定。对电磁阀进行建模仿真是一种有效快捷的手段，但电磁阀涉及到机、电磁、液等领域难以在单一的仿真软件上实现精确建模，使得电磁阀的性能研究有很大的局限性。
本文介绍一种采用有限元与一维仿真相结合的仿真方案，即对电磁阀磁头结构进行磁场仿真获取电磁力特性数据，磁通特性数据；对阀体结构进行CFD仿真获取流量-压力降等特性数据，同时在AMESim中建立完整的电磁阀模型，导入电磁头特性数据，并用流量-压力降等特性数据进行阀体参数标定，电磁模型够对电磁阀选型及工作特性研究等具有更多的指导意义。
1 电磁阀结构
本文以某款线性压力电磁阀为建模对象，其结构如下：
作者简介：郑海兵（1982-），男，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司，现为变速箱设计工程师。从事于DCT变速器产品设计开发工作。
汽车实用技术
121 2017年第13期
图1 某款线性压力电磁阀图2 某款线性压力电磁阀结构图
2 仿真分析
2.1 电磁头仿真
利用flux工具软件对电磁头结构2D简化建模，如下图：
图3 磁头2D轴对称几何结构图4 磁头网格结构
导入对应的导磁材料磁化特性数据后，设置参数化静态仿真模式；
仿真电流设置：0.1A~1.2A，步进0.1A；
衔铁位移设置：0m~-0.0023m，步进0.0001mm；（正负值视具体坐标系而定）
启动仿真，完成后获取电磁力与衔铁位移、电流关系数据和磁通与衔铁位移、电流关系数据，如下所示：
图5 磁力特性模面图6 磁力特性系列曲线
图7 磁通特性模面图8 磁通特性系列曲线
将数据处理成2D表格形式，以便AMESim软件能够正确读取。
2.2 阀体CFD
对电磁阀阀体部分进行流体域提取后，导入pumplinx 中进行建模仿真，如下所示：
图9 阀体结构流体域图10 阀体CFD压力云图
对不同阀芯位置下（即不同阀口开度下）进行仿真，油液属性应与液压系统油液一致，分别获取-15℃，40℃，90℃的流量-压力降特性数据；2.3 电磁阀AMESim建模仿真
在一维仿真软件AMESim中，对电磁阀进行完整建模，如下所示：
图11 电磁阀AMESim模型
在-15℃，40℃，90℃三种温度下设置与阀体结构CFD 相同工况，阀芯位移参数相同，根据流量-压力降特性数据，对AMESim模型的阀体结构部分进行标定；
导入电磁力特性数据表和磁通特性数据表，设置仿真参数：
P口压力源24bar，电压源12V，PWM频率3000Hz，PI 反馈控制方式，结果采集频率10000Hz；
电流响应特性：
电磁头气隙分别设置：2.9mm/2mm/1.5mm/1mm，考察电流到达稳定时间，即电磁头时间常数。
图12 线圈电流响应曲线图13 稳定压力对比
响应电流随气隙值的不同，电流响应曲线表现出一定的变化规律，但到达稳定时间基本一致，此处约为80ms，见图12（时间常数受线圈电阻、线圈圈数、磁路中的磁阻及导电材料的涡流大小有关）。
稳定压力下，加载dither，与不加载dither对比：
仿真时间1s前不加载dither,1s后加载dither，dither 参数为正弦波，频率160Hz，振幅60mA；
加载dither前后，稳定压力提高约0.2bar，说明加载dither后电磁阀输出稳定压力会有微小提升见图13。
考察不同dither频率对电磁阀PI影响；
图14 dither幅值60mA，不同频率下电磁阀PI曲线
郑海兵等：基于AMESim的电磁阀性能仿真122 2017年第13期
考察不同dither幅值对电磁阀PI的变化规律；
图15 dither频率160Hz，不同幅值下PI曲线
图16 dither频率160Hz，不同幅值下实际电流曲线Dither幅值增大，可以在一定程度上减小磁滞；
Dither幅值增大，压力波动增大；
Dither对阶跃压力响应特性的影响：
考察不同dither频率、不同幅值下电磁阀压力响应的变化规律。
图17 dither幅值60mA，不同频率下阶跃压力曲线
图18 dither幅值60mA，不同频率下实际电流曲线Dither频率增大对阶跃压力的响应非常小，趋势上，频率高响应越快；
Dither频率增大对稳定压力值大小有较为明显的影响，频率越大，稳定压力值越大；
图19 dither频率160Hz，不同幅值下实际电流曲线Dither幅值增大，对压力响应很小，趋势上，幅值越大响应时间延迟；
Dither幅值增大，对稳定压力值大小有较为明显的影响，稳定压力值越大；
3 结论
通过对电磁头进行磁场仿真计算，获取电磁力、磁通量等特性数据，导入到AMESim电磁阀模型中进行性能分析，得到如下结论：
1）电磁阀模型，导入磁通特性数据后，表现出相应的电磁特性，具备了定性研究dither影响的功能；
2）电磁阀模型加载dither前后，稳定压力有较为明显的变化，加载dither后稳定压力有不同程度的提高约0.2bar （视dither参数而定）；
3）电磁特性是导致电磁阀压力滞环的主要原因，电磁阀加载dither后，PI曲线磁滞有明显改善，但随dither频率增大超过临界，磁滞将变大，dither幅值越大，磁滞越小，但压力波动将明显增大；
4）Dither频率、幅值等参数对电磁阀的响应时间影响很小，趋势上，频率越大，响应时间越长，幅值越大响应时间越长，频率和幅值对超调量的影响没有明显规律；
综上初步分析结果表明了电磁头磁场仿真计算数据导入AMESim电磁阀模型，阀体流场压力降特性数据标定的单阀性能分析仿真技术方法够对电磁阀选型及工作特性研究等具有更多的指导意义。
参考文献
[1] 李壮云等，液压.气动与液力工程手册（上册）[M]，北京：电子工
业出版社,2008.02.
[2] 张利平. 液压传动与控制[M]，西安：西北工业大学出版社,2005.
[3] 付永领.祁晓野,LMS Imagine.Lab AMESim[M]，北京：北京航空航
天大学出版社,2011.10.
[4] 朱焱锋.王健.田凯文.变速器电磁阀颤振研究[J].上海汽车,2012.10:
安徽江淮汽车17-22.
[5] 肖文颖.姜立标.变速器电液系统分析及颤振电流控制.机床与液
压[J],2014.42(10):140-143.
[6] 朱玉田.唐兴华，脉宽调制中的颤振算法，机械工程学报[J],2009.45
（4）:214-218.