1. 研究目的与意义（文献综述）

当前，随着计算机电子技术的不断发展，随着数控技术的广泛应用，电磁阀显示出极强的生命力，各行各业都广泛的采用。在自动控制领域，传统的许多机械式执行器不断的被电磁式执行器所替代，电磁式的执行器相对于机械式或者液压式执行器具有结构紧凑、体积小、重量轻、密封良好、维护简便、可靠性高等优点。各种电磁式执行器，大多以电生磁，配合相应的铁芯，从而产生电磁力，继续将该电磁力进行放大，或者直接将该电磁力作为推动执行机构动作的力量。其中，电磁阀是使用相对广泛的电磁式执行器的之一。

电磁阀利用通电线圈激磁产生电磁力，驱动阀心运动以开启或关闭阀门，是自动控制领域的重要部件。要实现阀门基本的开关动作并没有困难，但是，随着电子控制的精确化，和在许多应用场合需要电磁阀具有高速、大流量的要求，对电磁阀的响应速度和流量提出了一定的要求。所以，目前国内外对电磁阀理论模型多数侧重于研究它的响应特性及其控制，而对于电磁阀的发热问题的关注度和相应的研究都较少。

电磁阀的快速响应和大流量是标志着电磁阀性能的关键参数，但是，电磁阀在实际到的工作过程中电磁铁的发热，对电磁阀的寿命和可靠性有较大的影响，并且这也有关于电磁阀的能效问题。所以，在电磁阀的研究上，我们在对于其高速和大流量进行研究时，同时也要加强对电磁阀的发热问题的解决。

2. 研究的基本内容与方案

2、基本内容和技术路线

2.1研究目标

基于船舶柴油机电控喷油器电磁阀为研究对象，通过Ansys Maxwell、Ansysworkbench等软件平台，建立起该电磁阀的瞬态仿真磁场，和电磁铁的温度场及其热流密度分布，基于所得到的温度场和热流密度场，分析电磁阀工作中的发热特点，从而对电磁阀的散热问题和能效问题有指导性意义。

2.2基本内容

以Ansys Maxwell软件建立电磁铁的瞬态有限元模型，Ansys workbench平台建立电磁-热耦合分析项目，进行多物理耦合仿真计算，分析计算结果，与从实际模型试验所得到的数据进行对比，做必要的调整和修正，确定电磁铁的温度场和热流密度场，分析所得出的结果，对电磁铁的散热问题提出指导性意见。

2.3技术路线

技术路线，如图1

图 1

主要从四个方面进行研究：

2.31电磁铁铁芯的三维模型建立：

在已知电磁铁的几何尺寸情况下，通过ProE三维建模软件建立电磁铁铁芯的三维模型。

2.32电流-磁场分析：

瞬态磁场模型可采用电压源或电流源激励。激励绕组分为实体绕组和绞线绕组两种。对于绞线绕组不考虑内部电流，认为内部电流密度分布均匀；而对于实体绕组则需要考虑趋肤效应。模型激励线圈选用铜导线绕组，求解域材料属性定义为真空。

将ProE软件中建立起的电磁铁衔铁模型，导入ANSYSMaxwell软件中，来建立电磁铁的电-磁有限元模型。ANSYSMaxwell软件主要由Maxwell 2D和Maxwell3D两部分构成，基于电磁铁为环状多极的结构特点，采用Maxwell 3D研究电磁铁的磁场分布，并且，采用其瞬态磁场求解器进行瞬态磁场的求解。

三维瞬态场采用局部法计算部件运动所产生的效应。低频瞬态磁场的麦克斯韦方程组表达为：

在此麦克斯韦方程组基础上，可以构造出等式：

部分单元棱边的矢量位自由度及节点的标量自由度分别采用一阶元和二阶元计算。

磁场发生变化的瞬态过程不仅是瞬态电磁过程，还包含瞬态机械过程。对于瞬态机械过程，引入位移或角度的离散计算：

其中，x表示装置的机械位移量，可以是位移或角度。

2.33铁芯热边界条件分析：

电磁阀产生的热损耗主要通过传导、对流、辐射散失到周围介质中和油液中去。其中，对于铁芯，极柱其中一端和阀体接触，存在热传导，可以由热传导计算原理算得该部分热量。

电磁阀在实际的工作过程中，油液将会有一定程度的泄露到电磁铁处，并且泄露到电磁铁处的油液并非积存不流通，而是会通过阀体上的导孔流到回油孔。泄漏油的存在，一方面将带走一部分热量，回到油箱中；同时，泄漏油也作为极住和阀体之间热对流的介质。应该考虑到电磁铁处并没有被泄漏油所充满，还存在一定的空气，所以，线圈极柱和阀体之间热对流的介质应该是泄漏油和空气的混合。在模型到的热计算时，可以假设存在着一种均匀分布的介质，其物化特性应该通过泄漏油和空气的存在情况，依照一定比例到的加权法进行合成。

对于因为热辐射而损失的热量，通过由理论分析和阅读相关文献之后得知，热辐射所占到的热量相对较小，忽略不计。

、

2.34建立电磁-热耦合模型，获得稳态温度场

用已经建立的电磁铁瞬态磁场仿真为基础，以ANSYS workbench软件为平台，建立电磁-热耦合分析项目。再选取相应的材料属性及热边界条件，以电磁阀实际工作时的脉冲电流（或电压）激励，计算时长应该满足至少大于电磁阀的额一个工作循环，并且可以得到稳态的温度场和热流密度场。基于所得到的电磁铁的温度场和热流密度分布，结合电磁铁和电磁阀的结构特点，对电磁阀的散热改善进行理论分析。

3. 研究计划与安排

4、时间安排

2017-03-01---2017-03-15，了解proe三维建模软件、ansys maxwell软件和ansys workbench工作平台的使用。

4. 参考文献（12篇以上）

3、参考文献

[1] 刘艳芳，毛鸣翀，徐向阳，梁 健, 液压电磁阀多物理场耦合热力学分析,机械工程学报， 2014.