高速電磁閥的案例
AMESim電控單體泵高速電磁閥多目標優化分析
張建宇1、范立云2 , 袁航1
( 1 .中國船舶重工集團公司第七一三研究所第六研究室，河南鄭州450052; 2 .哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱150001)
摘要: 針對高速電磁閥的延遲響應會引起噴油定時失準以及循環噴油量的精度變差，進而導致柴油機排放超標及油耗增加等問題，本文開展了電磁閥結構多目標優化與分析，最終可以達到電磁閥延遲響應最小化的目的。本文應用AMESim軟件建立電控單體泵仿真模型，經過實驗驗證了模型準確性。通過實驗設計的方法對影響電磁閥響應延遲的關鍵參數進行預測。得出關鍵影響參數:銜鐵殘余氣隙、彈簧預緊力、錐閥半錐角、閥桿直徑及錐閥直徑。應用多目標多學科優化平臺modeFRONTIER，采用NSGA-II遺傳算法，以電控單體泵高速電磁閥開啟、關閉響應延遲時間作為目標建立多目標優化模型。優化結果顯示：關閉延遲時間減小了6% ，開啟延遲時間減小了17. 7% ，噴油壓力峰值增大0. 62MPa，有利于進一步提高循環噴油量控制的精確程度。
電控單體泵是一種能夠滿足當前柴油機排放法規和經濟性要求的新型燃油噴射系統，可實現較高的噴油壓力及良好的燃料霧化。高速電磁閥（簡稱電磁閥）是電控單體泵的核心組件之一,它的響應速度決定了噴油壓力的建立與噴射后油壓卸載速度等特性，從而會影響到噴油系統的噴油定時、循環噴油量等關鍵特性。電磁閥較大的響應延遲會引起噴油定時失準和循環噴油量的精度變差，從而導致柴油機排放超標及油耗增大。為進一步提高噴油控制的精確性，需要對影響電磁閥響應的關鍵特性參數進行優化設計，以減小電磁閥的響應延遲時間。
目前，國內在電磁閥的鐵芯材質、驅動電路設計等方面進行了較多的實驗研究和優化設計。
展開 活動邀請 | 電磁閥設計與仿真專題研討會
活動時間：4月26日下午13:00至16:00
參會地點：上海市楊浦區國安路432號保輝國際大廈D座802室
電磁閥作為工業自動化領域不可或缺的關鍵元件，其設計與應用直接關系到生產效率與流程控制的精準性。隨著科技的飛速發展，電磁閥技術也在不斷創新和進步，以適應日益復雜多變的工業需求。
笛佼科技深知電磁閥在工業自動化中的重要性，也深知設計與仿真在提升電磁閥性能與可靠性中的關鍵作用。本次研討會旨在匯聚業界同仁，共同探討電磁閥設計與仿真的最新技術與發展趨勢。我們將深入分析電磁閥在不同工況下的運行機理，探討電磁、流體、結構等多物理場在電磁閥設計中的仿真技術，并分享在實際應用中的成功案例與寶貴經驗。
希望通過本次交流與分享，能夠為大家帶來更為廣闊的視野與機遇。攜手并進為行業的進步與發展貢獻更多的智慧和力量。
再次感謝各位朋友的關注與支持，期待在研討會上與您相見！
報名渠道
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議程介紹
Ansys軟件多物理場解決方案
Ansys Maxwell在電磁閥中的應用
Ansys CFD在電磁閥產品開發中的應用
電磁閥多物理場耦合案例
電磁閥電磁正向設計流程介紹
電磁閥電磁力及響應的仿真和測試結合案例
磁滯問題、偏心磨損的電磁仿真解決方案
基于pwm控制的高速電磁閥開度變化的快速降階仿真方案
互動答疑
活動咨詢
電話：021-65880321 梁先生
郵箱：mkt.service@djoin.com.cn
展開 案例-Ansoft Maxwell燃油電磁閥電磁鐵的環境溫度影響特性
特別是對于高速開關電磁閥，其平均流量受脈寬調制信號占空比大小的影響，電磁閥的控制應考慮環境溫度變化因素。
文章來源：機電君
AMESim電磁閥仿真詳解：一種深低溫電磁閥試驗系統設計與仿真
系統主要包括電磁閥、孔板和壓力信號器，包含主增壓路、調節路和備保路共3路增壓路[3]。其中主增壓路的電磁閥為常開路，調節路的電磁閥根據壓力信號器反饋的氧箱壓力來關閉或者打開，備保路正常情況下電磁閥不動作[4]。在該系統中冷氦電磁閥能否正常工作決定著增壓系統工作是否正常甚至火箭飛行的成敗，所以對冷氦電磁閥[5]液氫溫區的性能考核至關重要。
電磁閥設計與仿真（電磁部分）專題培訓
鐵芯尺寸設計理論
繞線參數設計理論
電磁力及繞組溫升計算
第二天
上午
Maxwell 建模及前處理注意事項
邊界條件理論基礎及網格剖分的設置技巧
參數化建模與優化
運動域的設置注意事項
第二天
下午
電磁閥 2D/3D 靜磁分析案例演示與練習
電磁閥 2D/3D 瞬態分析案例演示與練習
答疑
3
報名方式
Registration
Infolytica軟件在電磁閥電磁仿真中的解決方案
電磁閥利用通電線圈激磁產生電磁力驅動閥芯運動以開啟和關閉閥門結構緊湊、尺寸小、重量輕、密封良好、維修簡便、可靠性高是自動控制領域的重要部件。但是電磁閥的電磁設計目前往往還停留在基于磁路的方式、憑經驗公式或模仿國外同類產品產品性能靠估算和事后測試。 比例電磁鐵作為電液比例閥的關鍵部件是電液比例閥應用最多的電—機械轉換器其功能是將輸入的電流信號轉換成力或位移信號輸出其軸向推力與線圈電流成正比且在有效行程范圍內保持恒定。由于影響比例電磁鐵性能特性的結構參數較多傳統設計一般采用磁路法對各個結構參數作用評估往往不夠具體和準確需要采用電磁有限元方法進行準確計算。
Infolytica軟件在電磁閥電磁仿真中的解決方案.pdf
展開 電磁閥“電磁-溫度-流體-應力”多物理域耦合仿真分析
電磁閥額定電壓為27V DC，額定工作壓力為10MPa，線圈匝數為2500匝，線圈電阻為55Ω。
電磁閥零件名稱及材料
多物理場耦合計算分析流程
ANSYS把各物理域軟件集成到同一個平臺Workbench下，各模塊之間無縫實現數據共享和傳輸，相互之間還能迭代，使仿真模型最大限度接近物理實際模型。該電磁閥模型采用ANSYS Maxwell電磁場分析計算線圈繞組的生熱，計算得到的結果導入ANSYS Mechanical的熱分析模塊計算電磁閥的溫度分布，再將計算的結果導入ANSYS Mechanical結構分析模塊進行熱應力分析。同樣采用ANSYS Fluent計算電磁閥噴油燃料的流場分布，包括壓力，速度分布等。并可將壓力分布和噴油燃料和電磁閥結構的之間的換熱系數導入ANSYS Mechanical作為邊界條件進行電磁閥的結構力學分析。另外，ANSYS Fluent計算的壓力結果作為載荷邊界條件加入了在Maxwell的計算。
整個分析過程在ANSYS Workbench平臺下的流程如下：
Workbench多物理場耦合仿真流程
根據提供的電磁閥模型stp格式的CAD文件，直接輸入到workbench平臺下的MAXWELL 3D中，對其各部分部件分配材料，如下圖：
因為該電磁閥是直流電源供電，所以沒有渦流損耗和磁滯損耗，主要是線圈通電的銅損，仿真結果如下圖，從圖中可以看出，電磁閥的損耗主要集中在線圈上，與理論推導一致。
所以重點考察線圈繞組上的損耗，輸入ANSYS Mechanical, 考察系統溫升。如下圖
線圈繞組焦耳損耗分布
Maxwell計算線圈生熱導入Mechanical
然后進行流體分析計算。
展開 電磁閥“電磁-溫度-流體-應力”多物理域耦合仿真分析
電磁閥零件名稱及材料
多物理場耦合計算分析流程
ANSYS把各物理域軟件集成到同一個平臺Workbench下，各模塊之間無縫實現數據共享和傳輸，相互之間還能迭代，使仿真模型最大限度接近物理實際模型。該電磁閥模型采用ANSYS Maxwell電磁場分析計算線圈繞組的生熱，計算得到的結果導入ANSYS Mechanical的熱分析模塊計算電磁閥的溫度分布，再將計算的結果導入ANSYS Mechanical結構分析模塊進行熱應力分析。同樣采用ANSYS Fluent計算電磁閥噴油燃料的流場分布，包括壓力，速度分布等。并可將壓力分布和噴油燃料和電磁閥結構的之間的換熱系數導入ANSYS Mechanical作為邊界條件進行電磁閥的結構力學分析。另外，ANSYS Fluent計算的壓力結果作為載荷邊界條件加入了在Maxwell的計算。
整個分析過程在ANSYS Workbench平臺下的流程如下：
Workbench多物理場耦合仿真流程
根據提供的電磁閥模型stp格式的CAD文件，直接輸入到workbench平臺下的MAXWELL 3D中，對其各部分部件分配材料，如下圖：
因為該電磁閥是直流電源供電，所以沒有渦流損耗和磁滯損耗，主要是線圈通電的銅損，仿真結果如下圖，從圖中可以看出，電磁閥的損耗主要集中在線圈上，與理論推導一致。
所以重點考察線圈繞組上的損耗，輸入ANSYS Mechanical, 考察系統溫升。如下圖
線圈繞組焦耳損耗分布
Maxwell計算線圈生熱導入Mechanical
然后進行流體分析計算。本案例中的原始CAD模型只包含了固體區域，比如活門，彈簧，銜鐵，墊圈，頂桿等，做CFD仿真分析需要事先將流體域（通流域）抽出來，并設定相應的邊界條件。
展開 comsol計算電磁閥動態響應 ￥150
案例計算了二維圓周軸對稱電磁閥瞬態響應及溫度場變化，使用動網格，磁場，ge模塊實現，其中對于不規則極靴和銜鐵接觸區域的動網格處理是模型的亮點。實現的模型類似于Maxwell中電磁閥動態響應分析。
電磁力和位移變化
線圈電壓與電流關系
什么是AST電磁閥？
AST電磁閥的工作過程
AST電磁閥帶電，電磁閥帶動閥芯下移，關閉高壓供油HP的泄油通路，X腔的壓力升高，為高壓供油壓力，它克服彈簧1的拉力，推動活塞向右移動，將AST危急遮斷油的泄油通道堵塞，AST危急遮斷油油壓建立。AST電磁閥失電時，電磁閥閥芯在彈簧2的拉力作用下上移，打開高壓供油HP的泄油通路，X腔的壓力降低，不足以克服彈簧1的拉力，活塞在彈簧拉力的作用下左移，將AST危急遮斷油的泄油通道打開，AST危急遮斷油失壓。
AST油壓是怎么建立起來的
AST油壓是EH油經過快速卸荷閥節流后的油,只要EH油泵運行,它是一直存在的,但是AST電磁閥泄油口開著,其被卸掉了,當機組掛閘AST電磁閥復位,泄油口關閉,AST油壓就建立起來了!
壓力油經一個Φ0.8的節流孔后，進入各主汽門油動機油缸的活塞下面，同時也進入到各主汽門油動機集成塊上的卸荷閥的底部；各主汽門油動機在抗燃油油壓的作用下，克服閥門的摩擦力、蒸汽作用力、閥門自重和操縱座的彈簧力，打開各主汽門；同時，被送到卸荷閥下部的壓力油經卸荷閥上的一個節流孔節流后，形成自動停機危急遮斷控制油（及AST控制油），該控制油經過卸荷閥內部一個節流孔后作用在卸荷閥的杯狀滑閥的上部，該控制油所產生的力與卸荷閥內部小彈簧的彈簧力合在一起，將卸荷閥的杯狀滑閥壓在閥座上，封死了各主汽門油動機油缸底部與有壓回油的通道；當主汽門開關電磁閥得電打開時或AST電磁閥組件上的AST電磁閥失電打開時，均將卸荷閥杯狀滑閥上部的AST控制油接通到無壓回油，卸荷閥的杯狀滑閥在其底部的油壓力的作用下動作，將各主汽門油動機油缸下腔的壓力油接至有壓回油，這樣各主汽門在操縱座彈簧力的作用下，迅速關閉。
展開 【5月30日-6月02日 南京】ANSYS Maxwell電磁閥及電磁繼電器模擬分析專題
一、給方法解決以下關鍵問題
1、仿真分析結果主要在于經驗積累，12年以上工程應用專家帶你答疑解惑
2、有效掌握ANSYS Maxwell電磁閥及電磁繼電器模擬分析方法+實操模型訓練
3、所有實例緊緊圍繞ANSYS Maxwell電磁閥及電磁繼電器模擬分析為核心目標，進行實操模擬訓練
二、8個實例模型貼近工程實戰操作
實例01：螺旋線圈磁場仿真
實例02：繼電器2D場分析
實例03：電磁閥3D場分析
實例04：繼電器電磁力參數化分析
實例05：電磁閥電磁力最優化分析
實例06：電磁閥熱分析
實例07：電磁閥穩態磁熱耦合
實例08：繼電器瞬態磁熱耦合
三、本質問題與差異化
1、工程案例積累：專注CAE仿真計算，有大量的工程案例
2、關注計算結果：把仿真分析結果運用到產品中是核心理念
3、師資與專屬權：7000+多學員反饋、提煉的精選內容與實例，形成版權課程體系
4、問題響應參與：自主師資與合伙人模式，可直接對接客戶問題，即時做出響應
5、效果保障措施：所有學員提供高配筆記本、模型、電子資料、操作軟件
四、增值服務
持本人學生證或教師證享有9折優惠；一個單位同時報名2人享有9折優惠； 一個單位同時報名3人以上（含）享有8.5折優惠。
通過技術鄰成功參加培訓的用戶返現100元（50元現金+50元技術鄰課程抵用券）
五、時間地點
2019年5月30日-6月02日 南京
（第一天報道，上課三天）
六、課程大綱
七、培訓費用
1、3980元/人（含CAE結業證書一本），住宿可統一安排，食宿費用自理。
展開 
【電磁閥的選型】
2.電磁閥從閥結構和材料上的不同與原理上的區別，分為六個分支小類：
直動膜片結構、分步重片結構、先導膜式結構、直動活塞結構、分步直動活塞結構、先導活塞結構。
電磁閥在選型時的注意事項
一：適用性
管路中的流體必須和選用的電磁閥系列型號中標定的介質一致。
流體的溫度必須小于選用電磁閥的標定溫度。
電磁閥允許液體粘度一般在20CST以下，大于20CST應注明。
工作壓差，管路最高壓差在小于0.04MPa時應選用如ZS,2W,ZQDF,ZCM系列等直動式和分步直動式；
最低工作壓差大于0.04MPa時可選用先導式壓差式）電磁閥；最高工作壓差應小于電磁閥的最大標定壓力；一般電磁閥都是單向工作，因此要注意是否有反壓差，如有安裝止回閥。
流體清潔度不高時應在電磁閥前安裝過濾器，一般電磁閥對介質要求清潔度要好。
注意流量孔徑和接管口徑；電磁閥一般只有開關兩位控制；條件允許請安裝旁路管，便于維修；有水錘現象時要定制電磁閥的開閉時間調節。
注意環境溫度對電磁閥的影響電源電流和消耗功率應根據輸出容量選取，電源電壓一般允許±10%左右，必須注意交流起動時VA值較高。
二、可靠性
電磁閥分為常閉和常開二種；一般選用常閉型，通電打開，斷電關閉；但在開啟時間很長關閉時很短時要選用常開型了。
壽命試驗，工廠一般屬于型式試驗項目，確切地說我國還沒有電磁閥的專業標準，因此選用電磁閥廠家時慎重。
動作時間很短頻率較高時一般選取直動式，大口徑選用快速系列。
三、安全性
一般電磁閥不防水，在條件不允許時請選用防水型，工廠可以定做。
展開 電磁閥的基礎知識
1.3 先導式電磁閥工作原理：通電時，電磁力把先導孔打開，上腔室壓力迅速下降，在關 閉件周圍形成上低下高的壓差，流體壓力推動關閉件向上移動，閥門打開；斷電時，彈簧力把先導孔關閉， 入口壓力通過旁通孔迅速腔室在關閥件周圍形成下低上高的壓差，流體壓力推動關閉件向下移動，關閉閥門。工作特點：流體壓力范圍上限較高，可任意安裝（需定制）但必須滿足流體壓差條件。
2、 電磁閥從閥結構和材料上的不同與原理上的區別，分為六個分支小類：
2.1 直動膜片結構。
2.2 分步直動膜片結構。
2.3 先導膜片結構。
2.4 直動活塞結構。
2.5 分步直動活塞結構。
2.6 先導活塞結構。
3、電磁閥按照功能分類：水用電磁閥、蒸汽電磁閥、制冷電磁閥、低溫電磁閥、燃氣電磁閥、消防電磁閥、氨用電磁閥、氣體電磁閥、液體電磁閥、微型電磁閥、脈沖電磁閥、液壓電磁閥 常開電磁閥、 油用電磁閥、直流電磁閥、高壓電磁閥、 防爆電磁閥等。
四、電磁閥選型
電磁閥選型時首先依次遵循安全性，適用性，可靠性，經濟性四大原則，其次根據六個方面的現場工況（即管道參數、流體參數、壓力參數、電氣參數、動作方式、特殊要求進行選擇） 。
4.1 四大原則安全性：
1）、腐蝕性介質：宜選用塑料王電磁閥和全 不銹鋼 ；對于強腐蝕的介 質必須選用 隔離膜片 式。中性介質，也宜選用 銅合金 為閥殼材料的電磁閥，否則，閥殼中常有銹屑脫落，尤其是動作不頻繁的場合。氨用閥則不能采用銅材。
2）、爆炸性環境：必須選用相應防爆等級產品，露天安裝或粉塵多場合應選用防水，防塵品種。
3）、電磁閥公稱壓力應超過管內最高工作壓力。
展開 電磁閥的選型與計算
正確地選用各種控制閥是設計氣動控制系統的重要環節之一。選擇的合理，能使線路簡化，減少閥的品種和數量，保證氣動系統準確可靠，降低壓縮空氣的消耗量，降低成本等。
選用閥的
適用范圍應
與使用現場的條件相一致，如氣源壓力范圍，電源條件(交直流、電壓大小及波動范圍)，介質溫度、濕度，粉塵，振動等。
選用閥的
功能及控制方式
應符合系統工作要求，即應根據氣動系統對元件的位置數、通路數、記憶性、靜止時通斷狀態和控制方式等的要求選用符合所需功能及控制方式的閥。
選用閥的
性能
應滿足系統工作要求，即應根據氣動系統對最低工作壓力或最低控制壓力、最高許用壓力、動態性能、氣密性、壽命及可靠性等的要求選用符合所需性能指標的閥。
電磁閥的選型步驟：
①選定電磁閥系列：根據所需流量及驅動形式，選定電磁閥系列二位三通、二位五通。
②選定機能：根據不同的控制方式選擇電控、氣控、人力或機械控制單控、雙控、三位置。
③選定電氣規格：選擇使用電流及電壓，選擇接線形式（出線式、端子式）。
④選定配管口徑：每個電磁閥都有它指定的配管口徑，有些會有一個以上的口徑尺寸可供選擇。
（1）方向控制閥系列的選擇
應根據所配套的不同執行元件選擇不同功能系列的閥。
（2）控制方式的選擇
應根椐工作要求及氣缸的動作方式選擇合適的換向閥控制方式。換向閥控制方式的選擇。
（3）電磁閥的流通能力
選擇閥的流通能力應滿足系統工作要求，即應根據氣動系統對元件的
瞬時最大流量
的要求來計算閥的通徑。對于直接控制氣動執行元件的主閥，必須根椐執行元件的流量來選擇閥的通徑，且選用閥的流量應大于所需要的流量。
展開 電磁閥的故障處理大全
電磁閥線圈的額定電壓有DC12V、DC24V、AC24V(50/60Hz)、AC110V(50/60Hz)、AC220V(50/60Hz)、AC380V(50/60Hz)。
一般在電氣設計時要么采用AC220V(不需加裝開關電源，成本低、線路簡單而便于維護)、要么采用DC24V(常用的的安全電壓、開關電源/電磁閥線圈都易于維修更換)。
檢測電磁閥好壞的方法
先給電磁閥通上被控制的介質(帶壓力的液體、氣體<空氣>，壓力值為電磁閥使用壓力范圍的中間值)，再給電磁閥線圈通電，如果被控制介質有從通到斷或從斷到通的狀態的變化，那么電磁閥就是好的，否則就是有問題的。
電磁閥常見故障有？
1、線圈短路或斷路：
檢測方法：先用萬用表測量其通斷，阻值趨近于零或無窮大，那說明線圈短路或斷路。如果測量其阻值正常(大概是幾十歐)，還不能說明線圈一定是好的(我有一次測得一個電磁閥線圈阻值大概50歐姆，但電磁閥無法動作，更換該線圈后一切正常)，請進行如下最終測試：找一個小螺絲刀放在穿于電磁閥線圈中的金屬桿的附近，然后給電磁閥通電，如果感覺到有磁性，那么電磁閥線圈是好的，否則是壞的。
處理方法：更換電磁閥線圈。
2、插頭/插座有問題：
故障現象：如果電磁閥是有插頭/插座的那種，有可能出現插座的金屬
問題(筆者就碰到過)、插頭上接線的問題(比如將電源線接到接地線上去了)等原因無法將電源送到線圈中。最好養成一個習慣：插頭插在插座上之后把固定螺絲擰上，線圈上在閥芯桿之后把固定螺母擰上。
如果電磁閥線圈的插頭配備有發光二極管電源指示燈，那么采用DC電源驅動電磁閥時即行就要接對，否則指示燈不會亮。
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