电磁阀“电磁-温度-流体-应力”多物理域耦合仿真分析
白增程
沈阳安世亚太公司
作动器是一种通电以后对铁磁物质产生吸力、把电能转化成机械能的电器，用于对负载的速度、方向、位移、力进行控制，有时候也称为制动器、电磁阀、致动器或电磁铁等。作动器的应用领域很广，许多自动化电器（例如继电器、接触器、变换器等）和自控、遥控中操纵各种气阀、油阀的电磁阀，都是以作动器机构为主体构成的，其他的例如汽车里的电控喷油嘴，电梯里的电磁制动器，起重吊车上的制动电磁铁，电力传动中的电磁离合器，机床上的点此卡盘等，都是作动器应用的具体例子。
工作原理
电磁阀断电状态
电磁阀通电状态
上图中各序号代表的零件名称及材料见下表。工作介质为3号喷油燃料（航空煤油）。进油口与外部油源系统连通，进油口压力为10MPa。控油口与压力控制腔连通，故控制口压力没有定值，随着电磁阀的工作状态而改变；回油口与油箱连通，出油口压力为0.3MPa。
当线圈绕组断电时，在弹簧力及液动力作用下推动序号12，序号8和序号5一起向左运动，当运动到序号5的端面与序号2的孔底端面贴合时停止运动，此时进油口与控制口相通，油液通过进油口和控制口流入控制腔，回油口与油箱连通，如图一所示。当线圈绕组通电时，在电磁力作用下，电磁力克服弹簧力及液动力，使序号12，序号8和序号5一起向右运动，当运动到序号5的端面与序号9的端面贴合时停止运动，此时控制口与回油口相通，控制腔内的油液通过控制口和回油口流回油箱，如上图所示。
电磁阀额定电压为27V DC，额定工作压力为10MPa，线圈匝数为2500匝，线圈电阻为55Ω。
多物理场耦合计算分析流程
ANSYS把各物理域软件集成到同一个平台Workbench下，各模块之间无缝实现数据共享和传输，相互之间还能迭代，使仿真模型最大限度接近物理实际模型。该电磁阀模型采用ANSYS Maxwell电磁场分析计算线圈绕组的生热，计算得到的结果导入ANSYS Mechanical的热分析模块计算电磁阀的温度分布，再将计算的结果导入ANSYS Mechanical结构分析模块进行热应力分析。同样采用ANSYS Fluent计算电磁阀喷油燃料的流场分布，包括压力，速度分布等。并可将压力分布和喷油燃料和电磁阀结构的之间的换热系数导入ANSYS Mechanical作为边界条件进行电磁阀的结构力学分析。另外，ANSYS Fluent计算的压力结果作为载荷边界条件加入了在Maxwell的计算。
整个分析过程在ANSYS Workbench平台下的流程如下：
Workbench多物理场耦合仿真流程
根据提供的电磁阀模型stp格式的CAD文件，直接输入到workbench平台下的MAXWELL 3D中，对其各部分部件分配材料，如下图：
因为该电磁阀是直流电源供电，所以没有涡流损耗和磁滞损耗，主要是线圈通电的铜损，仿真结果如下图，从图中可以看出，电磁阀的损耗主要集中在线圈上，与理论推导一致。
所以重点考察线圈绕组上的损耗，输入ANSYS Mechanical, 考察系统温升。如下图
线圈绕组焦耳损耗分布
Maxwell计算线圈生热导入Mechanical
然后进行流体分析计算。本案例中的原始CAD模型只包含了固体区域，比如活门，弹簧，衔铁，垫圈，顶杆等，做CFD仿真分析需要事先将流体域（通流域）抽出来，并设定相应的边界条件。
以控制口0.5mm开度情况为例，原始模型和抽取出来的流体以及网格如下图所示：
流体域网格
Fluent设置好相应的边界条件后，将流体计算压力和对流系数边界条件在workbench平台下导入Mecahnical进行力学分析。
该电磁阀结构分析的几何模型及有限元如下，弹簧模型采用Mechanical的弹簧单元进行简化。整个电磁阀结构结构左端固定，导入Maxwell计算的生热计算温度分布，之后导入Fluent计算的压力分布和对流换热进行结构应力分析。结构热应力分析参考温度为室温22°。
电磁阀结构分析有限元模型
Fluent计算压力导入Mechanical映射
Mechanical导入磁场，流场后温度分布结果
