[发明专利]一种基于多物理场优化的电磁阀性能分析方法

权利要求书

1.一种基于多物理场优化的电磁阀性能分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立动态电磁微分方程：式中，U为电磁阀线圈驱动电压，R为线圈回路电阻，i为线圈电流，ψ为磁链，L为线圈电感；

建立阀芯动力学方程：式中，v为阀芯移动速度，m为阀芯和动铁的质量，F_m为电磁力，它是阀芯位移x和线圈电流i的函数,k为回位弹簧刚度，x为阀芯位移，x₀为弹簧预紧量，F_p为阀芯组件所受液动力，c为速度阻尼系数，F_f为阀芯组件所受摩擦力；

利用UG软件绘制电磁阀的三维模型，将该三维模型导入Maxwell软件中，并完成对电磁阀材料定义、网格划分、边界和载荷的设定，进一步获取电磁阀工作范围内不同线圈电流和不同阀芯位移下的电磁力和线圈电感；

利用ICEM CFD软件划分电磁阀流体域有限元网格，并生成Fluent软件的求解器能够识别的网格输入文件，将输入文件提交至Fluent软件的求解器，设置流体性质、输入及输出边界条件，获取电磁阀工作范围内不同阀芯位移下的阀芯组件所受液动力；

将Maxwell软件计算得到的线圈电感数据导入Matlab软件中，分别求出线圈电感对阀芯位移和线圈电感对线圈电流的偏导数；

根据线圈电磁微分方程和阀芯动力学方程，利用Matlab软件中的Simulink模块搭建电磁阀联合仿真模型，代入上述步骤中计算得到的电磁力、液动力、线圈电感偏导数以及电磁阀原始设计参数，设置运行时间并进行求解计算，得到电磁阀响应特性的仿真数据，提取数据并画图保存；

通过改变联合仿真模型中的设计参数，获取电磁阀响应特性曲线；

对电磁微分方程移项整理获得电流微分方程，电流微分方程中的控制信号为方波信号，在Simulink中通过选用选择模块输入控制信号，线圈电感和线圈电感偏导数在Simulink中通过选用查询表模块输入Matlab软件工作窗口中的数据，根据电流微分方程使用Simulink中的求和模块以累加控制信号、线圈电感和线圈电感偏导数数据，此时求和模块输出为电流微分值，需要继续利用Simulink中的积分模块求出线圈电流大小；

阀芯动力学方程中的液动力和电磁力在Simulink中通过选用查询表模块输入Matlab软件工作窗口中的数据，弹簧力和阻尼力在Simulink中分别通过选用增益模块输入弹簧刚度和阻尼系数，摩擦力在Simulink中选用常数模块直接输入数据，根据阀芯动力学方程使用Simulink中的求和模块以累加液动力、电磁力、弹簧力、阻尼力和摩擦力数据，此时求和模块输出为阀芯运动加速度值，需要连续2次使用Simulink中的积分模块求出阀芯位移大小。

2.根据权利要求1所述的一种基于多物理场优化的电磁阀性能分析方法，其特征在于，阀芯动力学方程建立对象为常开电磁阀，方程中阀芯组件所受液动力为阻力，当研究对象为常闭电磁阀时，线圈通电后液动力是助力阀芯运动，应保证阀芯动力学方程中的液动力与电磁力符号一致。

3.根据权利要求1所述的一种基于多物理场优化的电磁阀性能分析方法，其特征在于，电磁阀中非导磁材料由于相对磁导率约等于1，将电磁阀三维模型导入Maxwell软件计算时将非导磁材料舍去。

4.根据权利要求1所述的一种基于多物理场优化的电磁阀性能分析方法，其特征在于，在Maxwell软件中将电磁阀三维模型的外边界定义为气球边界，以模拟无穷大求解区域。

5.根据权利要求1所述的一种基于多物理场优化的电磁阀性能分析方法，其特征在于，使用ICEM CFD软件划分有限元网格时，在电磁阀中流体压力和速度梯度变化较大的区域处加大单元密度，在梯度变化缓慢的区域减小单元密度。

6.根据权利要求1所述的一种基于多物理场优化的电磁阀性能分析方法，其特征在于，搭建电磁阀联合仿真模型时，由于阀芯动力学方程无法自动识别阀芯运动位置，需要添加以阀芯极限运动位置和加速度方向作为判断准则的选择模块。