二维静态磁场分析在电磁阀中的运用
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摘 要：当代汽车技术中，通过电磁阀对汽车油路系统中液压油的精确控制确保汽车的运行平稳。对于电磁阀的设计研究，离不开电磁力的分析，常运用ANSYS对二维静态磁场进行分析。
关键词：CVVT；OCV；电磁阀；电磁力
OCV电磁阀是CVVT系统中的流量控制环节，本文以OCV电磁阀的电磁力为研究对象，通过Ansys建模并运用二维静态磁场分析模块计算Maxwell力与虚功力。
1 创建物理环境
1.1 图形界面过滤
进入Ansys系统后，点击MainMenu>Preferences，在弹出的“Preferences for GUI Filtering”中选择“Magnetic-Nodal”。
1.2 单元类型定义
基于二维模型来分析OCV电磁阀的电磁场状态，选用二维单元PLANE13。
1.3 定义材料属性
定义空气的相对导磁率，可以通过主菜单路径Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models，在弹出的“Define Material Model Behavior”对话框中依次选择“Electromagnetics>Relative Permeability>Constant”后，在弹出的“Permeability for Material number 1”对话框内的“MURX”输入空气导磁率1。然后依次定义铁芯与合金钢的导磁率。
2 建立模型、划分网格、针对模型上的不同区域赋予相关特性
在创建物理环境结束后，开始根据待分析内容的结构建立模型、划分网格以及赋予相关特性，选取第一象限的1/2模型进行建模。
2.1 建立模型
根据OCV电磁阀的结构：
首先依次输入关键点坐标创建Pole Piece。
其次连接关键点后构成Pole Piece的轮廓。
再次，根据线轮廓构建平面。
同理，依次通过点、线、面的方法构建OCV电磁阀的Flux Core、Armature、Coil、Can。
2.2 分配平面属性
基于已经建立好的几何模型，把材料属性根据工程分析要求分别赋予各相关平面上。通过菜单路径Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool，在弹出的“MeshTool”对话框中的“Element Attributes”区域内的下拉式对话框内选择“Areas”，然后点击set按钮后弹出“Area Attributes”对话框输入相关平面的序号。
2.3 网格划分
在完成平面属性定义之后，便可着手开始网格划分。首先通过菜单路径Utility Menu>Select>Everything 选择所有的实体。其次打开对话框“MeshTool”，勾选“Smart Size”。然后单击“Mesh”按钮，在弹出的“Mesh areas”网格划分区域确定对话框内选择“Pick All”。
2.4 加载边界条件和载荷
通过路径Utility Menu>Select>Entities选择所有Armature上所有单元，在弹出的“Select Entities”弹出框内选择“Element”，然后选择“By Attributes”即可。
通过菜单路径Utility Menu>Select>Comp/Assembly>Create Component，弹出“Create Component”创建组件对话框来完成Armature组件化。
当组件生成后，对Armature组件施加边界条件。通过菜单路径Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Magnetic>Flag>Comp.Force/Torque来实现。
为线圈设定电流密度：通过菜单路径Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Magnetic>Excitation>Curr Density>On Elements，在弹出的选择对话框内单击“Pick All”，而后在对话框 “Curr density value”后面空白栏位输入电流密度。
施加磁力线平行条件：通过菜单路径Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Magnetic>Boundary>Vector Poten>Flux Par’l>On Lines，在弹出“Apply Flux-P on Lines”对话框后，选择四条边做为施加磁力线的边界。
3 求解
通过菜单路径Main Menu>Solution>Solve>Electromagnet>Static Analysis>Opt&Solv，单击OK后开始求解运算直到显示“Solution is Done”，表明基于前期建模与参数设定的求解运算结束。
4 后处理、查看计算结果
磁力线分布查看：通过菜单路径Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>2D Flux Lines。
计算Armature上的磁力：通过菜单路径Main Menu>General Postproc>Elec&Mag Calc>Component Based>Force，选择Armature，然后在信息显示框，显示虚功力与麦克斯韦力。
5 总结
本文阐述了通过Ansys二维建模的方法，与Ansys三维建模分析对比，二维建模有结构简单，建模与分析计算花费时间短等特点。作为电磁力分析的方法之一，有着指导借鉴意义。
参考文献：
[1]张红松，胡仁喜，康士廷.ANSYS 14.0 电磁学有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2013.7.
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