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一种阀用永磁组件定位器结构与有限元分析

1 引言

随着社会的进步,对工业自动化的要求越来越高。在自动化仪表中,电磁阀是一种用电磁控制的工业执行设备,通过配置不同电路来实现预期控制,其中很重要的组成部分是定位系统,而定位系统中的主要结构为操作机构,主要包括电磁操作机构和弹簧操作机构。永磁操作机构具有节能、无振动、无噪声、免维护的特点,尤其是其节能效果显著。当前,永磁操作机构的设计在中压开关领域得到较广泛用,但其应用于电磁阀领域还十分少见。将永磁操作机构应用于液压电磁换向阀上,设计一种阀用永磁定位器,可满足该阀的各项目技术性能指标,达到节能目的。

现行永磁操纵机构中,当永磁铁为环状结构时,磁化方向分为轴向和径向。轴向磁化较易实现,而径向磁化过程中,通常要先将永磁体分割成若干块扇环状结构,逐一进行径向磁化再拼合起来,因此对加工制造要求较高。提出一种环状永磁组件结构设计方案,可使永磁铁直接制造为整体环状,磁化方向为轴向,使磁化易于进行,并最终实现永磁组件的磁场方向转为径向。

有限单元法是一种随电子计算机的发展而出现的现代计算方法,广泛应用于工程数值分析领域,它将连续体离散化为若干个有限大小的单元体集合,以求解连续体力学问题。对给出的永磁组件定位器进行有限元仿真分析,得出定位器中力与行程的曲线,并对轴向与径向永磁组件进行对比。

2 永磁组件分析

2.1 轴向磁化永磁组件

设计的环状永磁组件结构具有易于磁化、在保证精度情况下制造成本较低等特点,主要由永磁铁2、内外导磁环5、1和内外隔磁环3、4组成,永磁铁沿轴向磁化,如图1所示。内外导磁环的内端面分别与永磁铁左右两端面即磁极靠在一起,内外隔磁环分别同轴安装在永磁铁内环面与外环面之间。经由永磁组件各部分的连接及相互作用,内导磁环的内环面和外导磁环的外环面构成永磁组件的内、外工作面,从而实现永磁组件的磁场方向变为径向。内、外导磁环采用软磁性材料制成,内外隔磁环采用非磁性材料装入或填充至永磁铁和内外导磁环之间。

图1 轴向磁化永磁组件

永磁组件的磁力线分布,如图2所示。图2(a)中,外导磁环和内导磁环的内端面分别与永磁铁的北极(N)和南极(S)安装在一起,从永磁铁北极出发的磁力线进入外导磁环的内端面,导向后从外导磁环的外环面发出,进入永磁操纵机构或永磁定位器磁路,再从内导磁环的内环面进入,经内导磁环导向后回到永磁铁南极。从整个永磁组件来看,外导磁环的外环面成为组件北极,内导磁环的内环面成为组件南极。同理,当永磁铁安装方向反向时,如图2(b)所示。经由永磁组件的相互作用,内导磁环内环面成为永磁组件北极,外导磁环外环面成为永磁组件南极。由此可看出,通过改变永磁铁的安装方向,即可改变永磁组件磁极极性。由于永磁铁磁化方向为轴向,可采用整体环状结构,因而易于保证精度、降低加工难度和制造成本。永磁组件磁极工作面的形状、尺寸、方位由内外导磁环确定,可满足不同场合下的磁极要求。

图2 永磁组件磁力线分布

2.2 径向磁化永磁组件

为比较同等规格尺寸的永磁铁径向磁化时产生的磁力与行程之间的变化,设计一个径向磁化永磁组件结构,如图3(a)所示。该组件由径向磁化永磁铁2、内外导磁环4、5、左右隔磁环1、3组成。左右隔磁环的内端面分别与永磁铁的两端面靠在一起,外导磁环的内环面与永磁铁的外环面安装在一起,内导磁环大的外环面与永磁铁的内环面安装在一起。

该永磁组件的磁力线分布,如图3(b)所示,从永磁铁北极出发的磁力线进入外导磁环的内环面,然后从外导磁环的外环面发出,进入永磁操纵机构或永磁定位器磁路,再从内导磁环的内环面进入,最后回到永磁铁南极。当需改变磁极方向时,同样只需将永磁铁或导磁环沿轴向反向安装即可。这里两种永磁组件中的永磁铁及内外导磁环的轴向径向尺寸相同。

图3 径向磁化永磁组件

3 永磁定位器结构设计

永磁组件定位器结构,如图4所示。1为定位器壳体,2、3为隔磁套(铜质),4为永磁组件,5为定位器动铁心,5可在3、4形成的孔中左右运动,动铁心5的行程起点为左侧极限位置,向右为正方向,行程全长为6mm,6为定位器顶杆。普通电磁铁安装于壳体1的螺纹上,电磁铁顶杆直顶在定位器动铁心5的左端面,电磁铁未通电时,定位器动铁心5处于行程的左极限位置,当电磁铁通电时,电磁铁顶杆推动定位器动铁心5向右运动,由永磁体4、定位器铁心5、壳体1构成磁路,当定位器动铁心5运动到行程的右极限位置时,5的右端面与1的内孔端面间气隙长度最小,吸力(保持力)最大,此时普通磁铁断电,动铁芯由永磁铁提供的保持力固定在行程的右极限位置。方案采用型号为4WG6G60/AG24NZ5L的普通商用电磁铁进行验证,其在极限位置保持力大小为30N左右。

图4 永磁定位器结构

4 永磁定位器有限元分析

针对给出的永磁组件定位器结构,利用Maxwell进行二维静磁场有限元分析。在建立定位器模型之后,通过定义各部分材料、边界条件,设置激励源、划分网格,最后得出求解结果。定位器在极限保持位置的磁力线分布情况,如图5所示。其中图5(a)对应轴向磁化永磁组件,图5(b)对应径向磁化永磁组件。表1及续表1给出轴向与径向永磁组件在运动到极限位置过程中力与行程的数值,根据数据绘制曲线图,如图6所示。

图5 永磁组件定位器磁场有限元分析

表1 永磁定位器力—行程数据

续表1永磁定位器力—行程数据

图6 永磁组件定位器磁力—行程曲线

从图6可看出,同规格的永磁体,径向磁化组件产生的磁力较大,而轴向磁化组件在右极限位置的保持力为35.5N,满足选型电磁铁吸力要求,加之径向磁化永磁铁加工和磁化难度加大,所以采用轴向磁化永磁组件,将其磁力线转化为径向,并结合定位器结构其他组成部分可满足极限位置保持要求。

5 结论

设计一种结构简单、制造成本及使用维护成本较低的阀用永磁组件定位器。该定位器可安装在相应规格电磁阀上,并在电磁阀阀芯运动到极限位置断电时,取代电磁阀使阀芯保持在极限位置,从而实现节能目的。为解决永磁铁径向磁化加工过程中的困难,提出一种永磁组件结构,使得轴向磁化永磁铁从永磁组件的输出磁极转为径向。通过有限元分析,验证得出永磁组件定位器的极限位置磁力满足电磁阀吸力要求。

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