开关阀电磁铁动态特性电-磁-固耦合梯形电路的建模方法技术

本发明专利技术提出开关阀电磁铁动态特性电

【技术实现步骤摘要】
开关阀电磁铁动态特性电
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磁
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固耦合梯形电路的建模方法


[0001]本专利技术涉及电磁仿真
，尤其是开关阀电磁铁动态特性电
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磁
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固耦合梯形电路的建模方法。

技术介绍

[0002]工业4.0的概念在汉诺威工业博览会上被首次提出以来，互联网技术的迅猛发展，万物互联越来越成为可能；在这一浪潮下，“数字液压”技术也因此取得了长足的进展；发展高性能数字液压元件，将有力的推进流体传动与控制领域的技术发展与产业革新，成为了行业为之奋斗的目标之一。
[0003]液压阀是液压系统中关键的控制元件，高性能的液压控制阀也常是系统中最昂贵的液压元件之一；数字阀的出现是液压阀技术发展的典型代表，极大提高了控制的灵活性；高速开关式数字阀作为数字液压阀的重要成果，是一种一直工作在全开或者全闭的数字液压阀，因此压力损失较小、能耗较低、对油液污染并不敏感，可以直接将开关数字信号转化成流量信号，使得数字信号直接与液压系统结合；近些年来，高速开关阀一直是液压行业的研究热点，研究方向主要集中在高速电电磁铁、阀体结构及流道优化以及高速开关阀驱动控制策略与应用拓展等方面。
[0004]电磁铁是高速开关阀的核心部件，是衔铁带动阀芯运动的关键驱动部分，电磁铁本身的性能很大程度上决定了高速开关阀的静动态性能，因此电
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机械转换器的建模研究对高速开关阀整体性能提升有重要的意义。
[0005]目前较常用的针对高速开关阀电磁铁的建模方法可分为两类，一种是使用数学手段，描述电磁铁的各物理场特性并联系起来。现有的数学建模方法相对粗糙，在一些情况下得到的结果和实际有一定差距。另一种建模方法是使用建模仿真软件即有限元建模，但这类方法不适用于瞬态响应的计算，因为它们需要昂贵的计算时间成本。
[0006]因此，能否建立一种考虑涡流效应，并关联铁芯的尺寸和材料属性的简单易行的高速电磁铁快速仿真模型，将成为高速开关阀频响优化及控制研究发展的关键突破点。

技术实现思路

[0007]本专利技术提出开关阀电磁铁动态特性电
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磁
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固耦合梯形电路的建模方法，为一种快速分析高速开关阀电磁铁动态特性的建模方法；本专利技术的目的在于克服传统数学建模方法和有限元建模方法对高速电磁铁进行建模时存在的缺陷，本专利技术从实际的物理规律出发，考虑了磁场变化过程中产生的涡流效应，建立了电
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磁
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固多场耦合的瞬态仿真模型；准确预测电磁铁的运动特性，并可全方面的获取各部件不同部位的电磁场数据；为高速电磁铁的控制和优化设计提供了一种准确、实用的仿真模型，节约了时间成本。
[0008]本专利技术采用以下技术方案。
[0009]开关阀电磁铁动态特性电
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磁
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固耦合梯形电路的建模方法，用于快速分析高速开关阀的电磁铁动态特性，包括以下步骤；
[0010]步骤S1、通过分析高速开关阀电磁铁的壳体、铁芯、衔铁、骨架彼此之间的位置关系，推导电磁铁中线圈生成的磁通路径分布情况，从而得到其磁路模型；
[0011]步骤S2、基于铁磁材料的电感和磁阻的关系式，并应用电路和磁路的对偶理论将磁路元件转换为电路元件，推导出考虑电磁铁高频工况下强涡流效应的等效梯形电路模型；
[0012]步骤S3、建立各等效电子元件子模型，搭建高速开关阀电磁铁的电
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磁
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固多场耦合的等效电路模型，获取不同电压控制策略下高速开关阀电磁铁的高频动态特性数据。
[0013]所述电磁铁在线圈施加电压产生电流后，磁力线依次经过磁轭、铁芯、气隙、衔铁后回到磁轭完成闭合，在电磁铁铁磁材料内磁通可视为均匀分布的情况下，整个电磁铁分为若干段磁路段，由于磁轭中内磁通按照方向不同分为垂直和水平，故划分为上磁轭和侧磁轭，由于铁芯与骨架紧贴因此共用同一磁路段，额外骨架的中部隔磁环的作用下，划分为上铁芯、中铁芯、下铁芯，同理，衔铁根据磁通截面积的不同，划分为上衔铁，中衔铁和下衔铁；
[0014]步骤S1具体包括如下步骤：
[0015]步骤S1.1、将铁芯分布的磁动势集中在多个铁芯段上，在每个铁芯段内磁通可视为均匀分布的情况下，整个铁芯分为若干段磁路段；
[0016]步骤S1.2、每个磁路段可视为一个磁通管，并且假设分布在磁路段上漏磁通从磁路段的端点流进和流出；其中，为侧磁轭的励磁阻，为下铁芯的励磁阻，为中铁芯的励磁阻，为分布在中铁芯的漏磁阻，为上铁芯的励磁阻，为隔磁环的漏磁阻，为气隙磁阻，为下衔铁的励磁阻，为中衔铁的励磁阻，为下衔铁的励磁阻，为衔铁内部中空的漏磁阻，为上磁轭的励磁阻；
[0017]步骤S1.3、将铁磁材料磁场和漏磁场的磁通管根据空间位置连接起来，视同为磁场对应的等效磁路。
[0018]所述步骤S2具体包括如下步骤：
[0019]步骤S2.1、在磁路的每一网口分别设置节点，再选择最外侧磁支路形成的封闭曲线至无穷远处构成一网孔；
[0020]步骤S2.2、用一条直线将各节点和网孔按照对偶变换规则连接起来，连接线所穿过的磁阻根据对应域的属性不同分别变换为空气漏磁电感、位移可变电感、铁磁模型；磁动势元件变换为电流源元件。
[0021]步骤S2.3、将电流源替换为线圈电阻和电压源串联的形式，变为等效电路模型。
[0022]所述的步骤S2.2中的对偶变换规则包括：
[0023]A1、任一两网孔节点只能通过磁路元件相连；
[0024]A2、每一磁路元件只能被一条连接线穿过一次；
[0025]A3、所有磁路的元件必须被连接线穿过；
[0026]A4、每一网孔节点至少被连接两次。
[0027]所述步骤S2.2中的空气漏磁电感根据空气域的尺寸大小计算得到，具体有：公式一；
[0028]式中，N为线圈匝数，r为空气域的半径，μ0为真空磁导率，h为空气域的高度。
[0029]所述步骤S2.2中的所述位移运动电感关系式通过建立运动方程和电压平衡方程得到，具体有：
[0030]公式二；
[0031]式中，m为衔铁等运动部件的质量；x为衔铁位移量；F
sp
＝F0+kx为弹簧力；F0为弹簧预紧力；k为弹簧刚度；为摩擦阻力；v为阻尼系数；为运动件的加速度；F
m
为电磁力，以公式表示为：
[0032]公式三；
[0033]式中，φ
s
是通过衔铁的磁通量，S为衔铁的面积；
[0034]设所述高速开关阀的电磁铁线圈两端的电压为U，由于电流在变化的过程中总磁通量发生变化从而产生感应电动势，基尔霍夫电压方程表示为：公式四；
[0035]式中，U为线圈两端电压；I为线圈电流；N为线圈匝数；φ为单匝电流产生的磁通量；
[0036]最后，可得到位移可变线性电感器的计算式，表示为：
[0037]公本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.开关阀电磁铁动态特性电
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磁
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固耦合梯形电路的建模方法，用于快速分析高速开关阀的电磁铁动态特性，其特征在于：包括以下步骤；步骤S1、通过分析高速开关阀电磁铁的壳体、铁芯、衔铁、骨架彼此之间的位置关系，推导电磁铁中线圈生成的磁通路径分布情况，从而得到其磁路模型；步骤S2、基于铁磁材料的电感和磁阻的关系式，并应用电路和磁路的对偶理论将磁路元件转换为电路元件，推导出考虑电磁铁高频工况下强涡流效应的等效梯形电路模型；步骤S3、建立各等效电子元件子模型，搭建高速开关阀电磁铁的电
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磁
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固多场耦合的等效电路模型，获取不同电压控制策略下高速开关阀电磁铁的高频动态特性数据。2.根据权利要求1所述的开关阀电磁铁动态特性电
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磁
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固耦合梯形电路的建模方法，其特征在于：所述电磁铁在线圈施加电压产生电流后，磁力线依次经过磁轭、铁芯、气隙、衔铁后回到磁轭完成闭合，在电磁铁铁磁材料内磁通可视为均匀分布的情况下，整个电磁铁分为若干段磁路段，由于磁轭中内磁通按照方向不同分为垂直和水平，故划分为上磁轭和侧磁轭，由于铁芯与骨架紧贴因此共用同一磁路段，额外骨架的中部隔磁环的作用下，划分为上铁芯、中铁芯、下铁芯，同理，衔铁根据磁通截面积的不同，划分为上衔铁，中衔铁和下衔铁；步骤S1具体包括如下步骤：步骤S1.1、将铁芯分布的磁动势集中在多个铁芯段上，在每个铁芯段内磁通可视为均匀分布的情况下，整个铁芯分为若干段磁路段；步骤S1.2、每个磁路段可视为一个磁通管，并且假设分布在磁路段上漏磁通从磁路段的端点流进和流出；其中，为侧磁轭的励磁阻，为下铁芯的励磁阻，为中铁芯的励磁阻，为分布在中铁芯的漏磁阻，为上铁芯的励磁阻，为隔磁环的漏磁阻，为气隙磁阻，为下衔铁的励磁阻，为中衔铁的励磁阻，为下衔铁的励磁阻，为衔铁内部中空的漏磁阻，为上磁轭的励磁阻；步骤S1.3、将铁磁材料磁场和漏磁场的磁通管根据空间位置连接起来，视同为磁场对应的等效磁路。3.根据权利要求1所述的开关阀电磁铁动态特性电
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固耦合梯形电路的建模方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括如下步骤：步骤S2.1、在磁路的每一网口分别设置节点，再选择最外侧磁支路形成的封闭曲线至无穷远处构成一网孔；步骤S2.2、用一条直线将各节点和网孔按照对偶变换规则连接起来，连接线所穿过的磁阻根据对应域的属性不同分别变换为空气漏磁电感、位移可变电感、铁磁模型；磁动势元件变换为电流源元件。步骤S2.3、将电流源替换为线圈电阻和电压源串联的形式，变为等效电路模型。4.根据权利要求3所述的开关阀电磁铁动态特性电
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固耦合梯形电路的建模方法，其特征在于：所述的步骤S2.2中的对偶变换规则包括：A1、任一两网孔节点只能通过磁路元件相连；A2、每一磁路元件只能被一条连接线穿过一次；A3、所有磁路的元件必须被连接线穿过；
A4、每一网孔节点至少被连接两次。5.根据权利要求3所述的开关阀电磁铁动态特性电
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固耦合梯形电路的建模方法，其特征在于：所述步骤S2.2中的空气漏磁电感根据空气域...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄惠，柯旭锟，罗远明，陈旭，陈淑梅，李雨铮，杜恒，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：