基于MAXWELL的螺线管电磁阀静磁场分析

山　东　化　工 收稿日期：２０２０－１２－２９基金项目：中国石油化工股份有限公司Ｐ１９００８－３和国家自然基金项目４１８７４１５８资助井基于Ｍａｘｗｅｌｌ的电磁阀有限元二维仿真与分析李佳隆１，党瑞荣１，刘娟１，孙德旭２（１．西安石油大学电子工程学院，陕西西安　７１００６５；２．中石化胜利油田石油工程技术研究院，山东东营　２５７１００）摘要：电磁阀可作为注水井井下自发电核心设备的通道切装置，传统的电磁阀设计方法及过程复杂，带来周期过长和试验费用过高等一系列问题。

本文使用Ｍａｘｗｅｌｌ软件，由于在不同特性下三维模型和二维对称模型仿真结果一致，故采用有限元仿真的方法对电磁阀进行二维对称模型建模，以对电磁阀的基本结构与功能进行仿真与分析，并运用Ｍａｘｗｅｌｌ软件相关参数化设计功能对初始间隙、绕组线圈匝数等参数对电磁阀功能影响分析。

综上所述，基于ＡｎｓｏｆｔＭａｘｗｅｌｌ的电磁阀有限元二维仿真与分析可以在电磁阀设计初期对相关性能进行模拟分析，为优化与设计提供理论指导，不但能够缩短研发周期，也能节约研发期间的经费使用。

关键词：电磁阀；Ｍａｘｗｅｌｌ；仿真中图分类号：ＴＨ１３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０２１）０６－０１６８－０２ＴｗｏＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｏｌｅｎｏｉｄＶａｌｖｅｂａｓｅｄｏｎＭａｘｗｅｌｌＬｉＪｉａｌｏｎｇ，ＤａｎｇＲｕｉｒｏｎｇ，ＬｉｕＪｕａｎ，ＳｕｎＤｅｘｕ（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ＇ａｎＳｈｉｙｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ　７１００６５，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｉｎｏｐｅｃＳｈｅｎｇｌｉＯｉｌｆｉｅｌｄＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ；Ｄｏｎｇｙｉｎｇ　２５７１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｏｌｅｎｏｉｄｖａｌｖｅｃａｎｂｅｕｓｅｄａｓｔｈｅｃｈａｎｎｅｌｃｕｔ－ｏｆｆｄｅｖｉｃｅｏｆｔｈｅｃｏｒｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｓｅｌｆｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｉｎｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｗｅｌｌｓ．Ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｓｏｌｅｎｏｉｄｖａｌｖｅａｒｅｃｏｍｐｌｅｘ，ｗｈｉｃｈｂｒｉｎｇｓａｓｅｒｉｅｓｏｆｐｒｏｂｌｅｍｓｓｕｃｈａｓｌｏｎｇｃｙｃｌｅａｎｄｈｉｇｈｔｅｓｔｃｏｓｔ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，Ｍａｘｗｅｌｌｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｕｓｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌａｎｄｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｍｏｄｅｌａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｍｏｄｅｌｔｈｅｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｏｌｅｎｏｉｄｖａｌｖｅ，ｓｏａｓｔｏｓｉｍｕｌａｔｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｏｌｅｎｏｉｄｖａｌｖｅ，ａｎｄｔｈｅｐａｒａｍｅｔｒｉｃｄｅｓｉｇｎｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＭａｘｗｅｌｌｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｎｉｔｉａｌｇａｐ，ｗｉｎｄｉｎｇｔｕｒｎｓａｎｄｏｔｈｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｖａｌｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｏｓｕｍｕｐ，ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｏｌｅｎｏｉｄｖａｌｖｅｂａｓｅｄｏｎＡｎｓｏｆｔＭａｘｗｅｌｌｃａｎｓｉｍｕｌａｔｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｔｔｈｅｅａｒｌｙｓｔａｇｅｏｆｓｏｌｅｎｏｉｄｖａｌｖｅｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｄｅｓｉｇｎ，ｗｈｉｃｈｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｙｃｌｅ，ｂｕｔａｌｓｏｓａｖｅｔｈｅｆｕｎｄｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｅｒｉｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： 注水井井下自发电是一项新的技术，不再需要电缆为井下供电，引入流体发电后，可降低成本，简化施工工艺，消除电缆接头和高温高压环境下带来的失效，但井下发电机所工作环境恶劣，压力达４０ＭＰａ，工作温度１００℃。

基于Ansoft,Maxwell的电磁阀驱动优化工作稳定性的保证。

目前，燃油喷射系统在低转速小脉宽情况下出现供油不稳定，为了减小这种不稳定情况，本文在线圈匝数、驱动电流和驱动电压上进行计算分析，选出合适的匝数、电流和电压值，提高电磁阀的响应特性，得到稳定的喷油量。

在提高电磁阀响应特性上，Cheng等人[4]研究了4种电压驱动波形情况下喷油器电磁阀的损耗情况，最后优选出了损耗最小的电压波形，并将计算值与实验值进行了对比，验证了计算值的可靠性。

Tsai等人[5]设计了一种新的驱动电路，以满足汽油直喷中更快速更精确控制，结果表明驱动策略对稳定和精确注射量具有非常重要的意义。

Watanbe等人[6]对电路模型进行了优化，通过电磁场的瞬态仿真，开发了一种新的喷油器，其响应时间得到了明显提高。

袁海军等人[7-10]采用Maxwell软件计算了不同工作气隙、不同驱动电压等条件下电磁阀静态和动态特性。

夏胜枝[11-12]及李春青等人[13]研究了电控单体泵电磁阀的动态响应特性，研究发现影响电磁阀关闭速度的主要因素是驱动电压的大小，影响电磁阀开启速度的主要因素是回位弹簧的预紧力。

通过以往的研究发现，驱动电压是影响电磁阀响应的主要因素，因此本文从线圈匝数出发，研究驱动电压和驱动电流对电磁阀响应的影响。

2 理论依据2.1 电磁阀工作原理电控单体泵电磁阀结构如图1所示。

电磁阀工作原理：接通电源后，电流通过电磁铁线圈，产生电磁力，吸引衔铁，同时带动运动件（衔铁、衔铁螺钉、弹簧、弹簧座、阀杆）运动，当电磁力克服弹簧力时，阀杆开始动作至阀关闭;当断开电源，阀杆在弹簧力的作用下返回，使阀开启。

2.2 电磁阀运动特性方程电磁阀通电，阀杆关闭过程：电磁阀断电，阀杆开启过程：其中：m为运动件质量;a为运动质量加速度;Fmag为电磁力;Fs为弹簧力;Ff为液体阻力;2.3 电磁阀电磁特性方程设衔铁运动过程中磁通不变，衔铁所需的机械功完全由磁能转化而来。

微型高压电磁阀的有限元法磁场分析摘要：本文利用Ansoft Maxwell软件建立模型，对微型高压电磁阀的静态磁场进行有限元分析，验证磁路设计满足总体设计要求，为进一步优化结构打下扎实的基础。

关键词：微型高压电磁阀有限元法磁场分析1引言随着航天技术的飞速发展，低功率、高精度、单一功能的微小卫星在航天领域日益受到重视，与传统的航天器相比有着结构简单、重量轻、体积小、功耗小、成本低等特点〔1〕。

从而对其相应的部件要求向微小型化发展。

电磁阀用于航天器动力系统推进剂和高压气体供应的控制，是其重要的组成部分，有的航天器上的电磁阀多达几十个。

因此，微型化、高压、响应快是电磁阀的研究重点。

某高压电磁阀根据磁路设计和结构设计，完成了机械结构和电磁线圈直径、匝数、衔铁直径等的估算。

涉及到电磁阀的主要结构参数往往需要实物样机加工出来才能确定，这回增加产品的设计周期，并且不能保证得到优化的结果。

因此根据设计出来的结构形式，开展磁场仿真分析，优化产品结构，降低产品设计周期，提高产品可靠性。

2建立仿真模型微型高压电磁阀结构形式见图1。

主要由阀体、弹簧、线圈、衔铁、套筒、阀座等组成，阀体材料为合金，衔铁材料为合金，套筒和弹簧等为不锈钢。

因其是对称结构，故可以取其一半作为磁路仿真模型。

1-阀体 2-弹簧 3-线圈 4-衔铁 5-壳体 6-套筒 7-阀座图1 微型高压电磁阀3 有限元分析理论基础对于静态磁场而言，描述各变量之间相互关系的Maxwell 方程可以写为▽×H =J▽×E =tB ∂∇- （1） ▽×B =0式中，▽为Hamilton 算子；H 为磁场强度，单位T;B 为磁感应强度，单位T ；E 为电场强度，单位V/m ；J 为传导电流密度，单位A/㎡；t 为时间，单位s 。

对于导磁材料，磁场强度与磁感应强度之间的曲线为该材料的磁化曲线，简化分析假定H B μ=E J σ= （2）E D ε=式中，μ为磁导率；ε为介电常数；σ为电导率；D 为电位移矢量。

基于maxwell的永磁同步电机静磁场分析实例4.2.1 问题描述三相永磁同步电动机，由定子铁心、定子绕组、永磁体磁极、转子铁心组成。

电机定子内径、外径分别为74mm 和120mm，极数4，定子槽数24，电机为对称结构可以建立四分之一模型，为了使读者更加清晰的了解整个电机模型的建立情况，本例采用整域求解，问题求解电机的平均电磁转矩及场图分布。

该电机的模型示意图如图4-1 所示。

图4-1 4 极24 槽永磁电机结构示意图通过本问题的分析，读者可以学习掌握Maxwell 2D 基本几何模型建立方法，激励源加载、力及力矩参数的设置、永磁材料的定义及简单的场图处理。

Ansoft 软件进行有限元分析的基本步骤如下：1创建项目及定义分析类型2建立几何模型3定义及分配材料4定义及加载激励源和边界条件5求解参数设定6后处理4.2.2 创建项目Step1. 启动Ansoft 并建立新的项目文件假设用户计算机已经安装了Microsoft 公司的Windows 操作系统和Ansoft 公式的12 版本Maxwell2D/3D 电磁计算软件，用鼠标左键双击桌面上的Maxwell 12 图以启动Maxwell，启动后的Maxwell 12 其界面如图4-2 所示。

图4-2 Maxwell 12 启动初始界面执行File/New/命令，或者单击工具栏上按钮新建一个项目文件如图4-3 所示。

图4-3 添加新项目界面Step2. 重命名及保存项目文件在项目管理窗口中右键单击项目名称选择Rename 命令，输入PMSM-Magstatic 对项目文件进行重命名，如图4-4，单击工具栏上按钮保存此项目文件,在项目文件保存目录4中就会出现如PMSM-Magstatic.mxwl 项目文件，图4-5 所示。

图4-4 项目文件重命名界面图4-5 项目保存目录对话框Step3. 定义分析类型采用二维静磁场求解器对永磁同步电动机进行磁场分析，求解器选择步骤如下：执行Project/Insert Maxwell 2D Design 命令，或者单击工具栏上按钮建立maxwell2D 设计分析类型，如图4-6 所示。

A n s o f t M a x w e l l静态磁场参数化操作
Ansoft Maxwell静态磁场参数化操作第一步、新建一个3D Design，点击下图蓝色图标
第二部、定义求解类型，默认为静磁场求解器
第三步、绘制几何模型
第四步、定义材料
第五步、添加电流激励，选中绘制的电流截面，右击Excitations——Assign——Current，在Value中设定安匝数，可将电流设成变量以便进行参数化计算，如下图将其设为I，匝数为60，并勾选Standed
第六步、添加求解参数，选中几何模型衔铁，右击Parameters，选择Force，求解完后即在可Result中查看衔铁所受电磁力
第七步、添加求解设置，右击Analysis，选择Add Solution Setup，默认设置即可，直接确定
第八步、设置参数化求解，右击Optimetrics——Add——Parametric，弹出下面对话框（图2），点Add，之后在弹出的对话框中（图3），Variable选中要进行参数化计算的变量，如电流，并在下面设置变量范围和步长，然后点Add——OK。

返回上一界面图2，重复刚才操作，完成其他变量的添加，如气隙。

之后点击图2中的Table，可查看所有会计算的参数组合形式。

图1
图2
图3 第九步、检查模型
第十步、计算，查看结果。

Ansoft Maxwell 仿真软件的应用Ansoft Maxwell 是低频电磁场有限元仿真软件，在工程电磁领域有广泛的应用。

它基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解，使用领域遍及电器、机械、石油化工、汽车、冶金、水利水电、航空航天、船舶、电子、核工业、兵器等众多行业，为各领域的科学研究和工程应用作出了巨大的贡献。

总体要求：熟练使用Ansoft Maxwell 仿真软件对电场、磁场进行分析，了解所做题目的原理。

将所做步骤详细写出，并配有相应图片说明。

三人一组，可以选择下面的题目，也可自主命题。

题目一：研究静电场的的电场分布要求：建立静电场模型，求解电压分布图、电场矢量分布图、电位移矢量图、能量分布图，并对仿真结果进行分析、总结。

例如：建立如下模型进行分析题目二：尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响要求：通过查阅资料，解释尖端放电现象。

建立不同尖端放电模型，研究电场分布及能量分布图，进行比较，得出结论。

例如：建立如下模型仿真其放电情况题目三：静电除尘器电磁场分析要求：掌握静电除尘的工作原理，建立静电除尘器模型，观测内部电场及能量的分布情况，并对结果进行分析。

例如：由静电除尘器的原理图建立的仿真模型题目四：研究镜像法求解静电场要求：掌握镜像法去接静电场的原理。

建立模型，分用镜像法及普通模型求解其电场分布图，并进行比较，总结。

例如：建立如下两种模型进行仿真，观察其电场分布。

可求解导线与理想地面之间的电容，及两根导线间的电容值进行对比。

题目五：通有相反方向电流的导电线圈产生的磁场要求：利用Maxwell 3D Design建立两个通有相反方向电流的导线圈模型（中间可插入铁芯增强磁场），仿真线圈周围空间及铁芯内部磁感线分布、磁场强度分布，并进行理论分析。

例如：建立如下模型进行分析题目六：叠片钢涡流损耗分析要求：分别从理论计算、计算机仿真两个方面进行磁感应强度分析，再进行涡流损耗分析，对比得出结论。

基于Ansoft Maxwell的电磁阀用电磁铁电磁力特性研究摘要：根据设计要求，完成了电磁铁的结构设计，进行了绕组匝数和工作电流计算。

对电磁力进行了计算，并运用Ansoft Maxwell软件对电磁力进行了仿真分析，对电磁铁样机进行了电磁力测试。

将电磁力实测值与理论计算值和仿真值进行了对比分析，反算出了不同气隙值时的漏磁系数，并使用MATLAB软件拟合出了漏磁系数与气隙值关系的幂级数方程。

通过对比发现电磁力仿真值均小于实测值，电磁力仿真值平均准确率达到了实测值的91.9%。

本文为电磁铁的精细化设计提供了参考和依据。

主题词：电磁力计算电磁仿真漏磁系数中图分类号：TH122 文献标识码：A1 引言电磁铁产生的电磁力常用于为阀类产品的阀芯提供动力，作为一种喷气式飞行器姿态控制装置中的关键部件，能够提供快速的响应时间，实现精准的飞行器姿态控制。

进行电磁铁设计时，可通过理论公式计算电磁力的值，但由于漏磁系数根据电磁铁结构、工作电流的不同取值范围较大，磁感应强度会随着磁场强度的变化而变化[1]，对于设计经验不足的设计师，要计算出较为准确的电磁力值较为困难。

通过在Ansoft Maxwell完成电磁铁结构建模，录入所用导磁材料的磁化参数，设定工作时的电流、绕组匝数等参数，可以得到电磁铁工作时的常用特征变化情况[2]，可获知电磁铁设计过程中需要了解却又无法感知和观测的设计特征，如电磁力变化、磁力线分布、磁感应强度分布等特征，根据仿真结果，可提高电磁铁设计的准确性和可靠性。

2 电磁铁结构设计及工作原理2.1 电磁铁结构设计根据某高温燃气阀使用要求和电磁铁设计原则[3]，完成了电磁铁结构设计，电磁铁主要由壳体、隔热管、顶杆、绕组、衔铁、骨架、防护套、导磁盖、支板、复位弹簧、端盖、外罩等组成，电磁铁结构组成图如图1所示。

电磁铁壳体和导磁盖材料为冷拉电工纯铁DT4，衔铁为软磁合金1J22，绕组为铜漆包线绕制，隔热管、防护套和外罩为高硅氧玻璃钢非金属材料，顶杆为不导磁的不锈钢1Cr18Ni9Ti，骨架材料为挤制铜棒QSi3-1R、复位弹簧为弹簧用不锈钢丝1Cr18Ni9。

电磁场与电磁兼容-基于Maxwell 2D的实例研讨小组成员：摘要：随着计算机软件技术的发展，越来越多的CAE软件被应用于工业产品的研发中，在这些产品的设计开发过程中发挥着举足轻重的作用。

在电气设备行业，ANSYS公司的ANSOFT MAXWELL软件作为世界知名的商用低频电磁场有限元分析软件已经在业界得到了广泛的应用。

本文所述结合电磁场与电磁兼容课程相关知识，基于Maxwell14.0电磁仿真软件，通过了“尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响”与“研究永磁同步电机静磁场分布”两个研究论题，着重阐述了利用Maxwell14.0进行2D电磁仿真的基本过程以及通过分析电磁场有关问题的基本方法对所研究论题得出一般性结论。

关键词：尖端放电、永磁同步电机、电磁仿真正文：一、尖端放电现象以及尖端尺寸对放电的影响【原理解释】强电场作用下，物体尖锐部分发生的一种放电现象称为尖端放电，他属于一种电晕放电。

他的原理是物体尖锐处曲率大，电力线密集，因而电势梯度大，致使其附近部分气体被击穿而发生放电。

如果物体尖端在暗处或放电特别强烈，这时往往可以看到它周围有浅蓝色的光晕。

通常情况下，空气是不导电的，但是如果电场特别强，空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力，有可能被“撕”开，这个现象叫做空气的电离。

由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了，空气电离后产生的负电荷就是负离子，失去原子的电荷带正电，叫做正离子。

（对孤立导体）导体表面有电荷堆积时，电荷密度与导体表面的形状有关。

在凹的部位电荷密度接近零，在平缓的部位小，在尖的部位最大。

当电荷密度达到一定的量值后，电荷产生的电场会很大，以至于把空气击穿（电离），空气中的与导体带电相反的离子会与导体的电荷中和，出现放电火花，并能听到放电声。

【尖端放电的应用】尖端放电在我们的生活中应用广泛，例如：如高压线有轮廓的地方，就会出现尖端放电。

由于接到电源上，它一边放电，一边不停的提供放电需要的电荷，这种放电会持续下去。