电磁阀作为控制流体快速通断的开关在航天领域应用十分广泛,电磁阀的性能优劣直接关系到动力系统是否工作正常,甚至关系到航天器飞行的成败,因此对电磁阀性能提升的研究十分必要,近年来很多学者对电磁阀开、关响应速度及电磁力进行了研究。

文献[1-5]利用Maxwell软件仿真研究了弹簧初始安装力、弹簧刚度、弹簧结构、隔磁垫片厚度、工作气隙、驱动电压等参数对电磁阀性能的影响,提出了电磁阀优化的方向。Zhang等^[6]利用Simulink仿真和试验相结合的方法对一款两位三通电磁阀进行了研究,得出电磁阀的响应特性与动作频率无关,且打开响应时间随着进口压力增大而减小,关闭响应时间随着进口压力增大而增大的结论。

除了对机械结构的研究,部分专家还对电磁阀线圈和控制电路进行了研究。邹嘉等^[7]利用AMESim软件对比分析了电阻和电容对线圈电流和响应时间的影响,实现了电磁阀快速响应的目标。宋会玲等^[8]通过给直动电磁阀增加加速启动线圈,研制出打开响应时间为2.8 ms、关闭时间小于2 ms的快速响应电磁阀。宋军等^[9]使用MATLAB软件对PWM驱动的高速电磁阀进行了仿真研究,得到了PWM驱动方式的特性,证明了利用PWM驱动可以在降低电磁阀打开响应时间的同时降低关闭响应时间,为优化电磁阀的响应特性提供了一个方案。文献[10-11]研究了在保护电路中增加稳压二极管后的感性元件性能,得出了稳压二极管相对于释放电阻来说同时具有降低反峰电压和加快电流释放的作用。

已有文献主要是从电磁阀本身的结构、线圈、材料、使用工况等方面研究了提升电磁阀自身性能的方法^[12-19],但在某些情况下从自身角度很难再进一步提高电磁阀的性能,因此,亟需寻找一种从外部提高电磁阀性能的方法。

电磁阀是一种感性元器件,尤其在断电时会产生一个较大的感应电动势,可能会对继电器等元器件造成损伤^[10,20],因此往往需要在整个电路中并联一个消反峰电路来消除电磁阀感应电动势的影响。而消反峰电路对电磁阀的关闭有阻碍的作用,会减缓阀门关闭速度,因此研究消反峰电路对电磁阀性能产生的影响非常必要。

本文基于Maxwell软件,对某型航天姿控电磁阀及其消反峰电路进行了仿真研究,同时对比实测结果,证明仿真模型的有效性,为电磁铁的辅助设计提供一种方法。更进一步地,通过模拟不同消峰电阻下电磁阀的响应时间以及感应电动势,得到更优化的电磁阀控制系统,为电磁阀控制系统的优化提供参考。

本文研究的电磁阀结构如图1所示,是一种典型的轴流直动式电磁阀,主要由阀体、电磁铁外壳、弹簧、线圈、阀芯和阀座等组成。此种构型的阀是常闭式菌阀,断电状态下弹簧将阀芯压在阀座上起到密封的作用,通电后依靠逐渐增大的电磁力克服弹簧力,将阀芯从阀座上吸起,阀门打开,入口和出口相连通。断电后,电磁力逐渐降低,弹簧力又大于电磁力,于是将阀芯压回阀座,从而实现阀门的关闭^[21]。

图1 电磁阀结构
Fig.1 The structure of a typical solenoid valve

本文通过Maxwell软件对电磁阀及消反峰电路进行了仿真,研究了消反峰电路对电磁阀性能的影响, 为进一步优化电磁阀系统提供了方案。 通过分析,本文得出以下结论。

1)通过对比电磁阀仿真和试验的结果,可以得出利用Maxwell软件对电磁阀及消反峰电路的仿真具有较强的可行性,仿真结果可用于辅助电磁阀的设计。

2)消反峰电路对电磁阀释放响应时间有显著影响。消峰电阻与释放响应时间成反比,而对吸合响应时间无影响。

3)消反峰电路对电磁阀感应电动势有显著影响。相对于无消反峰电路时产生的较大的感应电动势,消反峰电路的存在可以显著降低感应电动势的峰值,并且消峰电阻与感应电动势成正相关。

4)当电磁阀本身设计受限时,可以通过合理设计消反峰电路来优化电磁阀系统,随着消峰电阻增加,释放响应时间曲线和感应电压曲线会出现一个拐点,电阻大于该值后释放响应时间降低的幅度减小,而此时的感应电压仍保持原幅度增长。因此在满足系统要求的前提下可以考虑采用该点的电阻值作为设计点,以期得到最大的收益。