作動器是一種通電以后對鐵磁物質產生吸力、把電能轉化成機械能的電器，用于對負載的速度、方向、位移、力進行控制，有時候也稱為制動器、電磁閥、致動器或電磁鐵等。

作動器的應用領域很廣，許多自動化電器（例如繼電器、接觸器、變換器等）和自控、遙控中操縱各種氣閥、油閥的電磁閥，都是以作動器機構為主體構成的，其他的例如汽車里的電控噴油嘴，電梯里的電磁制動器，起重吊車上的制動電磁鐵，電力傳動中的電磁離合器，機床上的點此卡盤等，都是作動器應用的具體例子。

作動器的結構形式有很多，但工作原理都是相同的，且大都包含鐵心、線圈、銜鐵和彈簧等基本組成部分。

工作原理

電磁閥斷電狀態

電磁閥通電狀態

上圖中各序號代表的零件名稱及材料見下表。工作介質為3號噴油燃料（航空煤油）。進油口與外部油源系統連通，進油口壓力為10MPa。控油口與壓力控制腔連通，故控制口壓力沒有定值，隨著電磁閥的工作狀態而改變；回油口與油箱連通，出油口壓力為0.3MPa。

當線圈繞組斷電時，在彈簧力及液動力作用下推動序號12，序號8和序號5一起向左運動，當運動到序號5的端面與序號2的孔底端面貼合時停止運動，此時進油口與控制口相通，油液通過進油口和控制口流入控制腔，回油口與油箱連通，如圖一所示。當線圈繞組通電時，在電磁力作用下，電磁力克服彈簧力及液動力，使序號12，序號8和序號5一起向右運動，當運動到序號5的端面與序號9的端面貼合時停止運動，此時控制口與回油口相通，控制腔內的油液通過控制口和回油口流回油箱，如上圖所示。

電磁閥額定電壓為27V DC，額定工作壓力為10MPa，線圈匝數為2500匝，線圈電阻為55Ω。

電磁閥零件名稱及材料

多物理場耦合計算分析流程

ANSYS把各物理域軟件集成到同一個平臺Workbench下，各模塊之間無縫實現數據共享和傳輸，相互之間還能迭代，使仿真模型最大限度接近物理實際模型。該電磁閥模型采用ANSYS Maxwell電磁場分析計算線圈繞組的生熱，計算得到的結果導入ANSYS Mechanical的熱分析模塊計算電磁閥的溫度分布，再將計算的結果導入ANSYS Mechanical結構分析模塊進行熱應力分析。

同樣采用ANSYS Fluent計算電磁閥噴油燃料的流場分布，包括壓力，速度分布等。并可將壓力分布和噴油燃料和電磁閥結構的之間的換熱系數導入ANSYS Mechanical作為邊界條件進行電磁閥的結構力學分析。另外，ANSYS Fluent計算的壓力結果作為載荷邊界條件加入了在Maxwell的計算。

整個分析過程在ANSYS Workbench平臺下的流程如下：

Workbench多物理場耦合仿真流程

根據提供的電磁閥模型stp格式的CAD文件，直接輸入到workbench平臺下的MAXWELL 3D中，對其各部分部件分配材料，如下圖：

因為該電磁閥是直流電源供電，所以沒有渦流損耗和磁滯損耗，主要是線圈通電的銅損，仿真結果如下圖，從圖中可以看出，電磁閥的損耗主要集中在線圈上，與理論推導一致。

所以重點考察線圈繞組上的損耗，輸入ANSYS Mechanical, 考察系統溫升。如下圖

?

線圈繞組焦耳損耗分布

Maxwell計算線圈生熱導入Mechanical

然后進行流體分析計算。本案例中的原始CAD模型只包含了固體區域，比如活門，彈簧，銜鐵，墊圈，頂桿等，做CFD仿真分析需要事先將流體域（通流域）抽出來，并設定相應的邊界條件。

以控制口0.5mm開度情況為例，原始模型和抽取出來的流體以及網格如下圖所示：

流

體域網格

Fluent設置好相應的邊界條件后，將流體計算壓力和對流系數邊界條件在workbench平臺下導入Mecahnical進行力學分析。

該電磁閥結構分析的幾何模型及有限元如下，彈簧模型采用Mechanical的彈簧單元進行簡化。整個電磁閥結構結構左端固定，導入Maxwell計算的生熱計算溫度分布，之后導入Fluent計算的壓力分布和對流換熱進行結構應力分析。結構熱應力分析參考溫度為室溫22°。

電磁閥結構分析有限元模型

Fluent計算壓力導入Mechanical映射

Mechanical導入磁場，流場后溫度分布結果

審核編輯：劉清