案例-Ansoft Maxwell燃油电磁阀电磁铁的环境温度影响特性

为研究环境温度对燃油电磁阀电磁铁驱动性能的影响，基于电磁阀工作原理和执行机构作动特性等关系，建立了热环境下电磁阀的数学模型，通过温度与磁场特性分析确定了对温度最敏感的关键功能部件为电磁线圈。利用有限元软件 AnsoftMaxwell对由线圈和衔铁构成的电-机械转换器进行了数值模拟，得到不同环境温度下电磁铁磁感应强度分布及系统关键响应指标，研究了阀启闭过程的静态和动态特性。分析在额定工作状态下环境温度对电磁铁磁场分布和响应特性的影响，获得不同环境温度下的线圈电流、电磁力、衔铁速度及位移的变化和响应规律。

基于电磁力和动态响应分析某直动式2位2通燃油开关电磁阀在不同环境温度下的输出特性及内在机理，研究环境温度对电磁阀驱动装置的影响，为电磁阀的优化设计提供参考。

1 原理与数学模型

1.1 构成原理

某燃油开关电磁阀结构如图 1 所示。电磁阀主要由阀体、线圈、弹簧、衔铁和阀芯（图中连为一体）等组成。当电磁阀通电时，磁路中产生电磁力使衔铁克服弹簧阻力、油液压力和摩擦力向上移动，阀开启使燃油介质流通；当电磁阀断电时，磁路中产生的电磁力消失，衔铁在弹簧复位力的作用下向下移动至阀关闭。

图1 电磁阀结构

1.2 数学模型

电磁阀是电、磁、机、液的非线性耦合体，其工作过程就是四者相互作用的过程。

同样案例分享对原理性方程不做过多介绍，主要应用以下方程：电路方程、磁路方程、运动方程、流量方程、以及温度与线圈磁动势关系方程。

电磁力大小与磁动势、气隙长度及磁路截面积有关，而磁动势受环境温度影响。上述方程虽能表达电磁力随环境温度变化的机理，但无法描述电磁铁结构对工作气隙及附近磁场的影响，难以获得准确的电磁力，开展特定电磁铁结构下的电磁场建模与仿真，获得温度对磁场分布的影响，继而分析其对电磁力的影响机理，为电磁阀及其驱动电源设计提供必要的理论参考。

2 电磁场有限元仿真

2.1 电磁铁建模

电磁力由电磁铁组件产生，不考虑电磁阀壳体结构对磁场的影响，在An⁃soft Maxwell中建立简化的电磁铁3维有限元模型（如图 2 所示）进行瞬态磁场仿真。静铁芯与外壳为静止部件且材料相同，可视为是一体的，建立环形电磁线圈几何模型，在环的任意纵截面上添加激励源。因衔铁为运动部件，需在其外部建立Band域，其作用是将静止部件与运动部件分开，提高动态计算所需的网格质量。设置衔铁为直线运动，最大运动距离为电磁阀的工作行程，z轴负方向为运动的正方向。考虑到电磁铁周围漏磁的影响，需设置1个较大尺寸的空气域模拟电磁铁正常工作时的外部环境，最后建立1个求解域包围所有部件。铁芯、衔铁和外壳通常采用电工纯铁 DT4 制造，因其磁导率高且易于磁化，剩磁也易消失。线圈采用铜材料，其它非软磁材料因导磁性能与空气相近，可视为空气。电磁阀的主要参数见表 1，对各部件进行网格划分，求解时间为210ms。

图2 电磁铁3维有限元模型

2.2 动态响应特性

电磁阀在一定频率 PWM 信号（占空比为 0.5）下1.5 个工作周期内的电磁铁输出动态响应如图 3 所示，图中V为衔铁的运动速度。

图3 电磁铁输出动态响应

从图中可见，由于电磁铁线圈存在感应电流，使得电磁阀的开启和关闭均滞后于 PWM 的控制信号。在激励电压作用下，线圈电流自 0 时刻起呈指数增大，到达A点时，由于衔铁开始运动，切割磁路中的磁力线产生反电势，使得电流开始减小。当电流减至 B 点时衔铁吸合静铁芯，阀完全打开，随后电流开始增大直至稳定。B 点对应的时刻为电磁阀完全开启所需时间。衔铁释放过程与吸合过程相似，在弹簧复位力作用下自C点对应时刻开始运动，直至D点对应时刻完全关闭。从电磁力曲线中可见，衔铁在运动过程中由于气隙变小，所受电磁力随之增大，负号表示电磁力与阻力方向相反；从速度和位移曲线中可见衔铁开始和停止运动的时间及对应时刻的速度。

3 温度对电磁阀特性的影响

研究要求电磁阀可在环境温度最高为260 ℃时正常工作，不考虑电磁阀线圈温升及绝缘材料受温度的影响，在仿真时设置温度为 20~420 ℃以研究电磁阀无法打开的极限温度，将线圈电导率定义为温度的函数，初始线圈磁动势为1054A。

3.1 磁动势和初始位置电磁力

将环境温度设置为变量，已知表明线圈磁动势和初始位置电磁力随环境温度升高而减小。线圈磁动势和电磁力随温度的变化曲线如图 4 所示。从图中可见，当温度由 20 ℃升至 420 ℃时，线圈磁动势由初始值1054A 减小至403A，减小幅度约为61.8％，电磁力减小了约81.4％，表明环境温度对磁动势和电磁力的影响较大。

图4 线圈磁动势和电磁力随温度的变化曲线

3.2 静态特性分析

在电磁铁磁路中，因软磁材料的相对磁导率远大于空气的，故磁路中的磁阻主要由气隙产生。在20 ℃时电磁铁磁场强度分布如图 5 所示。从图中可见，磁场强度主要分布在气隙处，包括衔铁与静铁芯间的工作气隙、衔铁与外壳间的非工作气隙以及衔铁上端与 Band 域间的空气层。其中，在工作气隙处的磁场强度最大，在20℃时可达到106A/m。

图5 在20 ℃时电磁铁磁场强度分布

在全温度范围内的3个典型工况（即温度 θ=20 、220、420 ℃）下的磁感应强度分布如图 6 所示。在衔铁与静铁芯之间的工作气隙处磁感应强度分别约为1.5、0.8 和 0.5 T。对于以 DT4 为代表的软磁材料，在电磁铁静铁芯底部磁感应强度达到最大，在 20 ℃时最大磁感应强度可达到 2.15 T，而在 220、420 ℃时最大磁感应强度分别为1.38、1.12 T，远小于其饱和磁感应强度。由此可见，在20~420 ℃时，磁感应强度随环境温度升高而降低。

图6 不同环境温度下电磁铁磁感应强度分布

3.3 动态特性分析

为了掌握温度对电磁阀启闭过程的动态影响，研究了电磁铁在不同环境温度下的线圈电流、电磁阀电磁力、衔铁（阀芯）速度和位移的响应特性，各曲线分别如图 7~10 所示。从图 7、8 中可见，随着环境温度的升高，线圈电流和电磁力减小。在20~340 ℃时，线圈电流和电磁力随温度的升高而减小，且温度越高，减小的幅值也越小；在 420 ℃时，电流变化规律与其它温度下的截然不同，且电磁力骤降。从图 9、10 中可见，此时衔铁的运动速度和位移均为 0，表明电磁阀在温度为420 ℃时未正常开启。

图7 不同环境温度下电磁阀动态电流曲线

图8 不同环境温度下电磁阀动态电磁力曲线

图9 不同环境温度下电磁阀的速度响应

图10 不同环境温度下电磁阀的位移响应

此外，在不同环境温度下衔铁的运动时间也不同，环境温度越高，其开启过程用时越短，关闭过程用时越长。在开启过程中，当电磁阀通电时，电磁铁迅速达到磁饱和，从而使电磁力达到最大，衔铁在电磁力作用下迅速向上运动推动阀芯使阀开启；当电磁阀断电后，由于软磁材料的磁滞特性，电磁铁存在剩磁，电磁力减小缓慢，当弹簧复位力大于电磁力时，衔铁向下运动带动阀芯使阀口关闭。当额定电压不变时，环境温度为 20~340 ℃时所对应的电磁阀开启与闭合时间见表2。在环境温度初始为 20 ℃时，电磁阀关闭用时大于开启用时。当环境温度升高时，线圈磁动势随之减小，工作气隙处的磁场强度也相应减小。由于磁路的磁滞效应，电磁阀的关闭时间会缩短。可见在环境温度从20 ℃升至260 ℃的过程中，每升高 80 ℃，电磁阀开启时间延长幅度为 0.5、1.0、2.0 ms，小于关闭时间缩短幅度 6.0、3.5、3.0 ms，当温度从260℃升至340℃时，电磁阀关闭时间缩短了1.5ms，开启时间延长了3.5 ms。由此可见，温度变化对电磁阀启闭时间的影响规律不同。在某一温度范围内电磁阀关闭时间受温度变化影响较大，但当温度高于某一值时，开启时间较关闭时间所受影响更大。

在不同环境温度下电磁阀启闭时间随驱动电压变化的曲线分别如图11、12所示。从图中可见，随着驱动电压的升高，电磁阀的开启时间变短、闭合时间变长。在驱动电压由18 V升高至 36 V 的过程中，开启时间受电压的影响更大。分析可知，在环境温度为260、340、420 ℃时，电磁阀最低启动电压分别为 24、27、30 V。

图11 不同环境温度下电磁阀开启时间随电压的变化曲线

图12 不同环境温度下电磁阀闭合时间随电压的变化曲线

4. 总结

（1）不考虑线圈发热及绝缘材料受温度的影响，在额定工作电压下环境温度的变化使线圈导线的电阻率改变，电流和线圈磁动势随温度的升高而减小。 

（2）环境温度升高会使磁路中工作气隙处的磁场强度和磁感应强度变弱，电磁阀电磁力减小，当初始位置电磁力小于预紧力时，阀无法开启。 

（3）电磁阀启闭的时长与电磁力、磁场强度密切相关，环境温度升高会使电磁阀开启时间延长、关闭时间缩短。 

（4）在某一临界温度范围内，环境温度对电磁阀关闭时长的影响大于对开启时长的影响；在达到临界温度之后，环境温度对电磁阀开启时长的影响大于对关闭时长的影响，直至电磁阀无法 正常工作。 

综上所述，电磁阀启闭时长受到影响的温度范围不一。特别是对于高速开关电磁阀，其平均流量受脉宽调制信号占空比大小的影响，电磁阀的控制应考虑环境温度变化因素。