作動(dòng)器是一種通電以后對(duì)鐵磁物質(zhì)產(chǎn)生吸力、把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的電器，用于對(duì)負(fù)載的速度、方向、位移、力進(jìn)行控制，有時(shí)候也稱為制動(dòng)器、電磁閥、致動(dòng)器或電磁鐵等。

作動(dòng)器的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，許多自動(dòng)化電器（例如繼電器、接觸器、變換器等）和自控、遙控中操縱各種氣閥、油閥的電磁閥，都是以作動(dòng)器機(jī)構(gòu)為主體構(gòu)成的，其他的例如汽車?yán)锏碾娍貒娪妥?，電梯里的電磁制?dòng)器，起重吊車上的制動(dòng)電磁鐵，電力傳動(dòng)中的電磁離合器，機(jī)床上的點(diǎn)此卡盤等，都是作動(dòng)器應(yīng)用的具體例子。

作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式有很多，但工作原理都是相同的，且大都包含鐵心、線圈、銜鐵和彈簧等基本組成部分。

工作原理

電磁閥斷電狀態(tài)

電磁閥通電狀態(tài)

上圖中各序號(hào)代表的零件名稱及材料見下表。工作介質(zhì)為3號(hào)噴油燃料（航空煤油）。進(jìn)油口與外部油源系統(tǒng)連通，進(jìn)油口壓力為10MPa。控油口與壓力控制腔連通，故控制口壓力沒有定值，隨著電磁閥的工作狀態(tài)而改變；回油口與油箱連通，出油口壓力為0.3MPa。

當(dāng)線圈繞組斷電時(shí)，在彈簧力及液動(dòng)力作用下推動(dòng)序號(hào)12，序號(hào)8和序號(hào)5一起向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到序號(hào)5的端面與序號(hào)2的孔底端面貼合時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)進(jìn)油口與控制口相通，油液通過進(jìn)油口和控制口流入控制腔，回油口與油箱連通，如圖一所示。當(dāng)線圈繞組通電時(shí)，在電磁力作用下，電磁力克服彈簧力及液動(dòng)力，使序號(hào)12，序號(hào)8和序號(hào)5一起向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到序號(hào)5的端面與序號(hào)9的端面貼合時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)控制口與回油口相通，控制腔內(nèi)的油液通過控制口和回油口流回油箱，如上圖所示。

電磁閥額定電壓為27V DC，額定工作壓力為10MPa，線圈匝數(shù)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(jì)算分析流程

ANSYS把各物理域軟件集成到同一個(gè)平臺(tái)Workbench下，各模塊之間無縫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shí)際模型。該電磁閥模型采用ANSYS Maxwell電磁場分析計(jì)算線圈繞組的生熱，計(jì)算得到的結(jié)果導(dǎo)入ANSYS Mechanical的熱分析模塊計(jì)算電磁閥的溫度分布，再將計(jì)算的結(jié)果導(dǎo)入ANSYS Mechanical結(jié)構(gòu)分析模塊進(jìn)行熱應(yīng)力分析。

同樣采用ANSYS Fluent計(jì)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(jié)構(gòu)的之間的換熱系數(shù)導(dǎo)入ANSYS Mechanical作為邊界條件進(jìn)行電磁閥的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。另外，ANSYS Fluent計(jì)算的壓力結(jié)果作為載荷邊界條件加入了在Maxwell的計(jì)算。

整個(gè)分析過程在ANSYS Workbench平臺(tái)下的流程如下：

Workbench多物理場耦合仿真流程

根據(jù)提供的電磁閥模型stp格式的CAD文件，直接輸入到workbench平臺(tái)下的MAXWELL 3D中，對(duì)其各部分部件分配材料，如下圖：

因?yàn)樵撾姶砰y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(jié)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(dǎo)一致。

所以重點(diǎn)考察線圈繞組上的損耗，輸入ANSYS Mechanical, 考察系統(tǒng)溫升。如下圖

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線圈繞組焦耳損耗分布

Maxwell計(jì)算線圈生熱導(dǎo)入Mechanical

然后進(jìn)行流體分析計(jì)算。本案例中的原始CAD模型只包含了固體區(qū)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(shè)定相應(yīng)的邊界條件。

以控制口0.5mm開度情況為例，原始模型和抽取出來的流體以及網(wǎng)格如下圖所示：

流

體域網(wǎng)格

Fluent設(shè)置好相應(yīng)的邊界條件后，將流體計(jì)算壓力和對(duì)流系數(shù)邊界條件在workbench平臺(tái)下導(dǎo)入Mecahnical進(jìn)行力學(xué)分析。

該電磁閥結(jié)構(gòu)分析的幾何模型及有限元如下，彈簧模型采用Mechanical的彈簧單元進(jìn)行簡化。整個(gè)電磁閥結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)左端固定，導(dǎo)入Maxwell計(jì)算的生熱計(jì)算溫度分布，之后導(dǎo)入Fluent計(jì)算的壓力分布和對(duì)流換熱進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析參考溫度為室溫22°。

電磁閥結(jié)構(gòu)分析有限元模型

Fluent計(jì)算壓力導(dǎo)入Mechanical映射

Mechanical導(dǎo)入磁場，流場后溫度分布結(jié)果

審核編輯：劉清