作動器是一種通電以后對鐵磁物質(zhì)產(chǎn)生吸力、把電能轉(zhuǎn)化成機械能的電器，用于對負載的速度、方向、位移、力進行控制，有時候也稱為制動器、電磁閥、致動器或電磁鐵等。

作動器的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，許多自動化電器（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，都是以作動器機構(gòu)為主體構(gòu)成的，其他的例如汽車里的電控噴油嘴，電梯里的電磁制動器，起重吊車上的制動電磁鐵，電力傳動中的電磁離合器，機床上的點此卡盤等，都是作動器應(yīng)用的具體例子。

作動器的結(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)

上圖中各序號代表的零件名稱及材料見下表。工作介質(zhì)為3號噴油燃料（航空煤油）。進油口與外部油源系統(tǒng)連通，進油口壓力為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。

當線圈繞組斷電時，在彈簧力及液動力作用下推動序號12，序號8和序號5一起向左運動，當運動到序號5的端面與序號2的孔底端面貼合時停止運動，此時進油口與控制口相通，油液通過進油口和控制口流入控制腔，回油口與油箱連通，如圖一所示。當線圈繞組通電時，在電磁力作用下，電磁力克服彈簧力及液動力，使序號12，序號8和序號5一起向右運動，當運動到序號5的端面與序號9的端面貼合時停止運動，此時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(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(jié)果導(dǎo)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(jié)果導(dǎo)入ANSYS Mechanical結(jié)構(gòu)分析模塊進行熱應(yīng)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(jié)構(gòu)的之間的換熱系數(shù)導(dǎo)入ANSYS Mechanical作為邊界條件進行電磁閥的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。另外，ANSYS Fluent計算的壓力結(jié)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(jù)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(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計算線圈生熱導(dǎo)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(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，將流體計算壓力和對流系數(shù)邊界條件在workbench平臺下導(dǎo)入Mecahnical進行力學(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的彈簧單元進行簡化。整個電磁閥結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)左端固定，導(dǎo)入Maxwell計算的生熱計算溫度分布，之后導(dǎo)入Fluent計算的壓力分布和對流換熱進行結(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