[发明专利]开关阀电磁铁动态特性电-磁-固耦合梯形电路的建模方法

说明书

本发明提出开关阀电磁铁动态特性电‑磁‑固耦合梯形电路的建模方法，包括以下步骤；步骤S1、通过分析高速开关阀电磁铁的壳体、铁芯、衔铁、骨架彼此之间的位置关系，推导电磁铁中线圈生成的磁通路径分布情况，从而得到其磁路模型；步骤S2、基于铁磁材料的电感和磁阻的关系式，并应用电路和磁路的对偶理论将磁路元件转换为电路元件，推导出考虑电磁铁高频工况下强涡流效应的等效梯形电路模型；步骤S3、建立各等效电子元件子模型，搭建高速开关阀电磁铁的电‑磁‑固多场耦合的等效电路模型，获取不同电压控制策略下高速开关阀电磁铁的高频动态特性数据；本发明为高速电磁铁的控制和优化设计提供了一种准确、实用的仿真模型，节约了时间成本。

技术领域

本发明涉及电磁仿真技术领域，尤其是开关阀电磁铁动态特性电-磁-固耦合梯形电路的建模方法。

背景技术

工业4.0的概念在汉诺威工业博览会上被首次提出以来，互联网技术的迅猛发展，万物互联越来越成为可能；在这一浪潮下，“数字液压”技术也因此取得了长足的进展；发展高性能数字液压元件，将有力的推进流体传动与控制领域的技术发展与产业革新，成为了行业为之奋斗的目标之一。

液压阀是液压系统中关键的控制元件，高性能的液压控制阀也常是系统中最昂贵的液压元件之一；数字阀的出现是液压阀技术发展的典型代表，极大提高了控制的灵活性；高速开关式数字阀作为数字液压阀的重要成果，是一种一直工作在全开或者全闭的数字液压阀，因此压力损失较小、能耗较低、对油液污染并不敏感，可以直接将开关数字信号转化成流量信号，使得数字信号直接与液压系统结合；近些年来，高速开关阀一直是液压行业的研究热点，研究方向主要集中在高速电电磁铁、阀体结构及流道优化以及高速开关阀驱动控制策略与应用拓展等方面。

电磁铁是高速开关阀的核心部件，是衔铁带动阀芯运动的关键驱动部分，电磁铁本身的性能很大程度上决定了高速开关阀的静动态性能，因此电-机械转换器的建模研究对高速开关阀整体性能提升有重要的意义。

目前较常用的针对高速开关阀电磁铁的建模方法可分为两类，一种是使用数学手段，描述电磁铁的各物理场特性并联系起来。现有的数学建模方法相对粗糙，在一些情况下得到的结果和实际有一定差距。另一种建模方法是使用建模仿真软件即有限元建模，但这类方法不适用于瞬态响应的计算，因为它们需要昂贵的计算时间成本。

因此，能否建立一种考虑涡流效应，并关联铁芯的尺寸和材料属性的简单易行的高速电磁铁快速仿真模型，将成为高速开关阀频响优化及控制研究发展的关键突破点。

发明内容

本发明提出开关阀电磁铁动态特性电-磁-固耦合梯形电路的建模方法，为一种快速分析高速开关阀电磁铁动态特性的建模方法；本发明的目的在于克服传统数学建模方法和有限元建模方法对高速电磁铁进行建模时存在的缺陷，本发明从实际的物理规律出发，考虑了磁场变化过程中产生的涡流效应，建立了电-磁-固多场耦合的瞬态仿真模型；准确预测电磁铁的运动特性，并可全方面的获取各部件不同部位的电磁场数据；为高速电磁铁的控制和优化设计提供了一种准确、实用的仿真模型，节约了时间成本。

本发明采用以下技术方案。

开关阀电磁铁动态特性电-磁-固耦合梯形电路的建模方法，用于快速分析高速开关阀的电磁铁动态特性，包括以下步骤；

步骤S1、通过分析高速开关阀电磁铁的壳体、铁芯、衔铁、骨架彼此之间的位置关系，推导电磁铁中线圈生成的磁通路径分布情况，从而得到其磁路模型；

步骤S2、基于铁磁材料的电感和磁阻的关系式，并应用电路和磁路的对偶理论将磁路元件转换为电路元件，推导出考虑电磁铁高频工况下强涡流效应的等效梯形电路模型；

步骤S3、建立各等效电子元件子模型，搭建高速开关阀电磁铁的电-磁-固多场耦合的等效电路模型，获取不同电压控制策略下高速开关阀电磁铁的高频动态特性数据。