[发明专利]一种用于高速开关阀电磁铁优化的多场耦合电磁仿真方法

权利要求书

1.一种用于高速开关阀电磁铁优化的多场耦合电磁仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据微小型高速开关阀的高频响、大流量的设计目标，设计微小型高速开关阀电磁铁；

S2、根据设计的微小型高速开关阀电磁铁，搭建具有实际磁滞特性的多物理场有限元仿真模型；

S3、从微小型高速开关阀电磁铁的设计参数中选取需要研究的参数，在搭建的多物理场有限元仿真模型中运行参数化扫描仿真，优化原设计参数；

所述步骤S1具体包括如下步骤：

S1.1、根据微小型高速开关阀的额定压力要求设计阀体主体结构，并根据微小型高速开关阀的额定流量的要求设计阀体孔径，阀芯直径，计算阀芯开度，获得电磁铁工作气隙；

S1.2、对微小型高速开关阀运动部件进行受力分析，分别建立阀芯开启与关闭时的运动微分方程，根据目标响应时间与工作气隙，计算所需电磁力；

S1.3、根据所需电磁力确定电磁铁的各部分结构尺寸，根据电磁铁工作机制与电气条件，设计线圈规格与基本尺寸；确定电磁线圈的激励策略与驱动电路；确定各部分所用材料；用迭代法校验参数，完成微小型高速开关阀电磁铁的初步设计；

所述步骤S2具体包括如下步骤：

S2.1、在COMSOL中搭建多物理场耦合有限元仿真模型；

S2.2、在多物理场耦合有限元仿真模型中，为铁磁材料域的磁场仿真添加真实磁滞特性；

步骤S2.1中，在COMSOL中搭建多物理场耦合有限元仿真模型，其步骤为：

S2.1.1、搭建步骤S1中微小型高速开关阀的几何模型，定义电压激励函数；

S2.1.2、定义各仿真域的材料属性，其中，各材料的电导率表征为温度T的函数；

S2.1.3、添加并设置电路、磁场、固体传热、动网格、触发事件、全局常微分与微分代数方程、系数形式边界偏微分方程接口，并设置固体传热场的广义热源来自磁场，将系数形式边界偏微分方程的因变量u设置为辅助动网格滑移的一个辅助变量；

S2.1.4、剖分网格；

步骤S2.2中，将根据实测磁滞回线辨识出的Jiles-Atherton模型参数代入COMSOL磁场有限元计算，其步骤为：

S2.2.1、在多物理场耦合有限元仿真模型使用的铁磁材料属性下添加电磁模型Jiles-Atherton模型参数，将辨识出的Jiles-Atherton模型五个参数分别代入铁磁材料节点下的软磁材料的Jiles-Atherton模型参数中；

S2.2.2、修改磁场的B-H本构关系为磁滞Jiles-Atherton模型B＝μ₀(H+M)，设置饱和磁化强度M_s、域壁密度a、钉扎损耗系数k、磁化可逆性系数c、域间耦合系数α为来自于材料；

步骤S3中，参数化扫描仿真，具体步骤为：

S3.1、选择需要分析的包括结构参数、电气参数的参数变量，参数变量来自于步骤S1.3计算的结构参数、线圈规格参数、电气参数；

S3.2、增设参数化扫描，扫描类型设定为所有组合，添加需要研究的参数变量，定义参数变化范围，分别设置起始值、步长、停止值，保留解设定为保留全部的解；

S3.3、运行参数化扫描仿真，一次性得到参数变量在不同值下的仿真结果；

S3.4、分析选取的参数的系列值对微小型高速开关阀电磁铁的性能影响，优化原设计参数。

2.根据权利要求1所述的一种用于高速开关阀电磁铁优化的多场耦合电磁仿真方法，其特征在于，步骤S1.3中，确定电磁铁的各部分结构尺寸，其中磁轭厚度确定方法为，由工作频率下的磁场集肤深度δ来确定：

H_d为距离材料表面距离为d时的磁场强度，H_s为材料表面磁场强度，δ为磁场集肤深度；

σ为材料电导率，μ为材料绝对磁导率，f为外加磁场最大频率。

3.根据权利要求1所述的一种用于高速开关阀电磁铁优化的多场耦合电磁仿真方法，其特征在于，所述步骤S2.1.3中，电路的设置方法为，根据步骤S1.3中确定的电磁线圈驱动电路，添加相应电气元件并连接元件节点、设置电气元件参数，将电磁场下的线圈激励源设置为来源于电路中的外部Uvs.I，使激励线圈接入电路。