基于 AMESim 的高速大流量电磁阀动态特性仿真研究

机电君：本案例主要是引入AME软件给听过没用过朋友看看，有什么用途，拓宽一下，抛砖引玉，本案例只是冰山一角。

Amesim最早是由法国的Imagine公司开发的，Imagine公司成立于1987年，由法国里昂第一大学的Michel Lebrun博士创建，旨在控制复杂的动态系统，将液压伺服执行机构与有限单元机械结构耦合起来。1989年完成核心的建模方法与算法的开发。20世纪90年代初，与英国巴斯大学的C. W. Richards教授合作，并于1995年推出了Amesim的第一个商业版本，当时该产品致力于流体控制系统。2007年，Imagine公司被比利时LMS国际公司全资收购，2012年，LMS公司被西门子收购。

Amesim（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems）是一种工程系统高级建模和仿真平台。Amesim的建模方法是基于功率键合图，与键合图相比，它具有直观图形的界面，可实现面向原理图建模，在整个仿真过程中，仿真系统都是通过直观的图形界面展现出来的。

Amesim软件中的元件都可以双向传递数据，并且变量都具有物理意义。它用图形的方式来描述系统中各设备间的联系，能够反映元件间的负载效应和系统中能量、功率的流动情况。该软件中元件的一个接口可以传递多个变量（如图 14‑45所示），使得不同领域的模块可以连接在一起，这样大大简化了模型的规模；另外，该软件还具有多种仿真方式，如稳态仿真、动态仿真、批处理仿真、间断连续仿真等，这可以提高系统的稳定性和保证仿真结果的精度。

Amesim采用标准的ISO图标和简单直观的多端口框图，具有丰富的模型库（如图 14‑46所示），涵盖了液压、液压管路、液压该元件设计、液压阻力、机械、热流体、电气、控制等领域，能使这些领域在统一的开发平台上实现系统工程的建模与仿真，而成为多学科、多领域系统分析的标准环境，为用户建立复杂的系统提供了极大的便利。

AME 软件主要包括基本软件环境、专业应用程序数据数据库以及与其他软件的接口。基本软件环境主要由 AMESim、AMESet、AMECustom 和 AMERun 四个功能模块组成。专业应用的数据库主要包括各种预设的标准元件库，如液体元件库、机械元件库、电磁元件库、热分析元件库、控制元件库等；其他软件接口主要 是 Matlab/Simulink、Adams、Xpc、Optimus、Excel 等其他软件的联合仿真接口。使用 AMESim 软件对研究对象进行建模和仿真分析，主要分为草图创建、子模型选择、参数设置、仿真操作和在草图模式、子模型模式、参数模式和仿真模式下进行的分析。

1 高速电磁阀的结构

高速电磁阀的结构（见图 1）可分为先导阀和主阀两部分，先导阀的结构成分主要是先导阀阀体和电磁铁、衔铁与副弹簧等，主阀的结构成分主要为主阀阀芯和主弹簧及主阀阀体等，并且主阀阀芯上带有涨圈。

2 电磁阀动态数学模型

2.1 电磁阀

电磁阀的动态过程与麦克斯韦公式、电路中的电压平衡公式等公式相关。整个数学模拟文件电磁阀是由这些公式组成的动态过程。因为电阀的空气速度移动得很快，绕组的辐射强度非常强，甚至温度的变化较慢，阻力相似。因此，在数学模型中忽略热平衡公式。

2.2 动态数学模型

电磁阀包括两个同样的主阀门，主阀门主要包括压力机、主阀门、主体阀门和机身阀门[1-2]。控制气体时，气体进入控制室并增加到一定值，压力机克服响应力，推动空气向上移动，打开气动液阀，导致燃料流向电路喷嘴。当电磁阀关闭时，控制室通过管道排出气体废气。目前，在主要趋势和气体压力控制的影响下，主要阀门向下移动至关闭通道气动液压阀。控制气体压力、流速、温度等。这是在压力机朝相反方向移动的过程中。压力机速度、位移、膨胀和收缩是主要成分。因为运动阀过程太短，为了简化模型，传热和燃油压缩液压阀没有考虑到这一点，气体控制被认为是理想的气体。因此，气动液阀的动态过程必须遵守质量守恒及牛顿第二定律。

3 仿真结果与分析

3.1 线圈的驱动电压对电动气阀响应特性的影响

在其他参数相同的情况下，将电动阀门的工作电压设定为 24 V、27 V、30 V，图 2 中显示了不同工作电压对电动阀门的作用。

图 2 可以看出，电磁阀的高工作电压、打开过程中的电流盘管更快地增加、吸引屏蔽增加、电动气阀打开时间更短。工作电压增加导致电流过度稳定电动盘管会导致高温且容易燃烧盘管，只有当工作电压盘管增加时，才能提高电磁阀的响应能力。

图 2 驱动电压对电动气阀响应特性的影响

3.2 电动气阀衔铁主工作间隙对阀门响应特性的影响

图 3-1 显示电动气阀衔铁主工作间隙对阀门响应特性的影响，比空气间隙的主要作用更大，是开启和关闭电动气阀的时间。因为空气间隙的主要因素导致电磁阻力增加，空气缓慢拉动间隙，因为主要因素是空气间隙直接导致移动距离增加，电动气阀的响应较慢。

如图 3-2 所示，电枢主要工作空气间隙愈小，则副阀的移动冲程愈短，副阀排气孔愈小，而电磁阀关闭时，控制室的放气速度减慢，使电磁阀的闭合时间延长；与此相反，电枢主气隙的变化不能影响到电磁阀的开启响应。

图 3 衔铁主工作间隙对电磁阀响应特性的影响

3.3 线圈匝数对电动气阀响应特性的影响

对电磁阀门的线圈匝数进行设定，分别为 300、400、500 匝，不同的线圈匝数目能影响到电子阀门的响应性能且较明显，如图 4 所示。

图 4 显示，打开电动气阀的响应会随着线圈匝数的增加而减慢。因此，为了加快电磁阀的响应，应适当降低电磁阀的速度，但如果转速非常小，电动气阀将无法打开。因此，在电磁阀设计中，有必要提高电磁阀卷数，这不仅可以加快电磁阀的响应速度，还可以提供足够的功率电磁。

4 线圈匝数对电动气阀响应特性的影响

3.4 气动液阀的活塞直径对电磁阀响应特性的影响

在其他情况下，气体流量阀门内的插塞尺寸为19.8 mm、20.8 mm、21.8 mm，对分析结果的影响不大（见图 5）。

图 5 显示，活塞面积越大，在运动开始之前，压力较低，电磁阀打开速度更快。当最大的压力机区域阀门关闭时，气体压力控制室缓慢向下，在动作启动后，电磁阀的关闭反应比较缓慢。如果塞子区域太大，则阀门的闭合速率会降低。如果塞子区域太小，空气压力不足以抵抗声音的压力，从而使电磁阀不能开启。所以，必须改进螺钉的直径，这样不但可以使螺线管迅速反应，而且可以给螺线管提供充足的压力来开启螺线管。

图 5 活塞面积对电磁阀响应特性的影响

3.5 反力因素对电磁阀响应特性的影响

图 6 是反力因素对电磁阀响应特性的影响，从显示能够看出弹簧二次硬度对气动液阀的电响应影响不大，因为滚轮的二次运动非常小，导致弹簧二次强度发生轻微变化。然而，在一般情况下，弹簧硬度会降低电动气阀开启时间更短，关闭时间更长。

图 6-2 显示，弹簧二次安装功率最大，开启时间与关闭时间最短的是电气空气阀。因此可以通过对弹簧的辅助设置功率进行增加的途径来达到加速电磁阀的关闭的效果，但是，如果设定了功率，就会使阀门开启的速度过慢，甚至不能开启。因此，必须选择合适的二次弹簧刚度并设置强度，以确保电磁阀对开闭的最佳响应。

图 6 反力因素对电磁阀响应特性的影响

4 结语

电磁阀的数学模型是电磁阀模拟模型的创建，是电磁阀软件的创建。用于获得各种因素对电磁阀独特响应影响的模拟分析，获得较好的结果，为电磁阀未来最佳设计提供了有效参考。

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