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(chēng)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(chē)?yán)锏碾娍貒娪妥欤娞堇锏碾姶胖苿?dòng)器,起重吊車(chē)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(pán)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(chēng)及材料見(jiàn)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(méi)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(guò)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(guò)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(chēng)及材料
多物理場(chǎng)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(wú)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)程在ANSYS Workbench平臺(tái)下的流程如下:
Workbench多物理場(chǎng)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(méi)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
?
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(mén),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(lái),并設(shè)定相應(yīng)的邊界條件。
以控制口0.5mm開(kāi)度情況為例,原始模型和抽取出來(lái)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(jiǎn)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(chǎng),流場(chǎng)后溫度分布結(jié)果
審核編輯:劉清
-
耦合
+關(guān)注
關(guān)注
13文章
582瀏覽量
100868 -
電磁閥
+關(guān)注
關(guān)注
14文章
510瀏覽量
31396 -
作動(dòng)器
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
5瀏覽量
6515 -
電磁制動(dòng)器
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
15瀏覽量
6449
原文標(biāo)題:電磁閥“電磁-溫度-流體-應(yīng)力”多物理域耦合仿真分析
文章出處:【微信號(hào):EMC_EMI,微信公眾號(hào):電磁兼容EMC】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論