基于CFD的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器空氣阻尼分析

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(1. 廣州中國科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所， 廣東 廣州　511458； 2. 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都　610031)

引言

電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器是電液比例控制元件的關(guān)鍵部件，它可將外界輸入的電氣信號(電壓、電流)連續(xù)成比例地轉(zhuǎn)換成機(jī)械量(力、力矩或位移)。目前，動圈式電-機(jī)轉(zhuǎn)換器以其小滯環(huán)和高線性而受到廣泛的關(guān)注[1，2]，它可以產(chǎn)生同尺寸機(jī)構(gòu)2.5倍左右的電磁力[3，4]。

提高動圈式電-機(jī)轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)時間和響應(yīng)速度，有助于提高電液比例控制系統(tǒng)的整體特性，這也是電液比例控制技術(shù)的發(fā)展趨勢[5，6]。

常規(guī)分析時，電-機(jī)轉(zhuǎn)換器的空氣阻尼均被忽略不計(jì)[7]。但是空氣阻尼的大小與運(yùn)動速度及物體的形狀具有很大的關(guān)系。重要的是，隨著電-機(jī)轉(zhuǎn)換器運(yùn)行速度的提升， 原本被忽略的空氣阻尼問題， 對于高速電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的動態(tài)性能影響尤為顯著。然而由于電-機(jī)轉(zhuǎn)換器內(nèi)腔室結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，目前常規(guī)的動量定律分析方法已無法詳細(xì)和準(zhǔn)確地對其運(yùn)動過程的空氣阻尼進(jìn)行研究。因此，必須采用流場仿真的方法對空氣阻尼進(jìn)行計(jì)算。另外，為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器內(nèi)部流場的詳細(xì)分析也是必需的[8]。為此，文中采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)軟件Fluent，對電-機(jī)轉(zhuǎn)換器不同結(jié)構(gòu)的推力線圈骨架進(jìn)行詳細(xì)的CFD計(jì)算，研究不同結(jié)構(gòu)下電-機(jī)轉(zhuǎn)換器的空氣阻尼特性，得到降低其空氣阻尼的辦法。

1　數(shù)值仿真計(jì)算

1.1　物理模型

電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器主要由線圈、銜鐵、永磁體、推力線圈骨架和隔磁環(huán)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。線圈安裝在推力線圈骨架上，構(gòu)成線圈組件，線圈骨架與電液比例閥的閥芯相連。

圖1　電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)有電壓信號加載到控制線圈時，載流線圈在永磁體提供的恒定磁場中，受電磁力作用而產(chǎn)生位移，從而帶動閥芯一起運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)電液比例閥閥口的控制?？蓜泳€圈在磁場中所受電磁力的大小和方向，取決于線圈中控制電流的大小和方向。通過改變輸入電壓信號的方向來改變線圈組件所受電磁力的方向，從而實(shí)現(xiàn)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的雙向運(yùn)動。

從圖1可知，在電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器內(nèi)部，形成了一個由殼體和線圈骨架等組成的密閉空氣腔，線圈組件在空氣腔內(nèi)做高頻周期性運(yùn)動。為了方便研究其空氣阻尼特性，針對電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，取其中空氣腔的中心軸對稱模型，對比分析三種不同的推力線圈骨架結(jié)構(gòu)。簡化后的結(jié)構(gòu)分別如下：

(1) 結(jié)構(gòu)一，原始推力線圈骨架結(jié)構(gòu)，無孔，如圖2a。

(2) 結(jié)構(gòu)二，在推力線圈骨架φ20圓周上均勻加工出8 個φ4小孔1，如圖2b。

(3) 結(jié)構(gòu)三，在推力線圈骨架φ20圓周上均勻加工出8 個φ4小孔1，φ30圓周上均勻加工出15 個φ3.5小孔2，如圖2c。

圖2　不同線圈骨架空氣腔二維簡化模型

1.2　理論基礎(chǔ)

對模型做如下設(shè)定：

(1) 考慮到線圈及線圈骨架在殼體內(nèi)的運(yùn)動速度不高，空氣視為不可壓縮氣體。

(2) 流體為牛頓流體(粘性力與流體剪切變形率成正比)。

(3) 在計(jì)算中，不考慮空氣重量以及空氣腔內(nèi)空氣的傳熱影響。

(4) 由于空氣腔尺寸較小而且形狀復(fù)雜，內(nèi)部氣體認(rèn)為處于湍流狀態(tài)。

描述其運(yùn)動的基本控制方程為質(zhì)量守恒方程、雷諾方程和k-ε湍流控制方程[9]。

1.3　計(jì)算設(shè)置

在線圈組件運(yùn)動的過程中，其計(jì)算域不斷發(fā)生變化，需要采用瞬態(tài)模型進(jìn)行分析，模型建立步驟如下：

(1) 將建立好的CAD二維模型導(dǎo)入至ICEM。因?yàn)橛?jì)算時需要用到動網(wǎng)格技術(shù)，為了網(wǎng)格能夠更好地更新，使用三角形網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分。

(2) 在Fluent中打開劃分好的網(wǎng)格，模型定義為基于壓力的瞬態(tài)二維軸對稱計(jì)算；選擇Realizable k-epsilon湍流模型；使用Smoothing，Remeshing對動網(wǎng)格更新進(jìn)行設(shè)置；將對稱軸Axis設(shè)定為Deforming類型，線圈組件輪廓設(shè)置為Rigid Body類型，運(yùn)動形式由UDF定義。

(3) 最后對模型進(jìn)行計(jì)算設(shè)置，給定時間步長、步數(shù)以及迭代次數(shù)，進(jìn)行計(jì)算。

2　仿真結(jié)果分析

設(shè)定運(yùn)動范圍為：-0.5～+0.5 mm，線圈組件按照余弦周期性運(yùn)動，速度幅值分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s。 針對結(jié)構(gòu)一瞬態(tài)計(jì)算時不同時刻的空氣阻力，得到了如下3種不同速度下的空氣阻力曲線，如圖3所示。

圖3　不同運(yùn)動速度時空氣阻力

從圖中可以看出，隨著運(yùn)動速度的增大，線圈組件受到的空氣阻力峰值也隨之增大。速度分別為3 m/s、2 m/s、1 m/s時，對應(yīng)的空氣阻力峰值分別為19.6 N、8.9 N、2.2 N。由此可見，空氣阻力大小幾乎與速度的平方成正比，如圖4所示。

電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器在低頻低速工作時，受到的空氣阻力相對于電磁力以及液動力等，可以忽略不計(jì)。然而隨著電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器不斷地向高頻、高速領(lǐng)域發(fā)展，空氣阻尼對系統(tǒng)的工作特性的影響也日趨顯著。因此，很有必要對其特性進(jìn)行研究，并通過相應(yīng)措施來減小其空氣阻尼的大小。

文中結(jié)構(gòu)二和結(jié)構(gòu)三就是通過在線圈骨架端部開孔來對結(jié)構(gòu)一進(jìn)行的改進(jìn)。下面采用相同的計(jì)算設(shè)置對三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比仿真分析。在1 m/s、2 m/s、3 m/s 時，三種結(jié)構(gòu)的空氣阻尼力曲線如圖5所示。

從圖中可以看出在不同速度時，三種結(jié)構(gòu)的空氣阻尼有著相似地變化規(guī)律，現(xiàn)對速度幅值3 m/s三種結(jié)構(gòu)的空氣阻尼力進(jìn)行比較。此時，三種結(jié)構(gòu)的空氣阻尼力峰值依次是：19.6 N、3.72 N、0.34 N。在高速運(yùn)動時，結(jié)構(gòu)一的空氣阻尼很大，而結(jié)構(gòu)三的空氣阻尼幾乎可以忽略不計(jì)。結(jié)構(gòu)二的空氣阻尼較結(jié)構(gòu)一減小81%，結(jié)構(gòu)三的空氣阻尼較結(jié)構(gòu)一減小98%，因此在線圈骨架端部開孔能夠有效地減小空氣阻尼。

觀察線圈組件運(yùn)動的極限工況，即速度幅值為3 m/s時(向右運(yùn)動)三種結(jié)構(gòu)的壓力云圖(圖6)和速度矢量圖(圖7)，可以得到以下結(jié)果：結(jié)構(gòu)一最大正壓力為3963.9 Pa， 負(fù)壓為-549.9 Pa； 結(jié)構(gòu)二得到的最大正壓為156.9 Pa，負(fù)壓為-456.7 Pa；結(jié)構(gòu)三得到的最大正壓為180 Pa，負(fù)壓為-68.1 Pa。結(jié)構(gòu)一最大流

圖5　不同速度幅值下三種結(jié)構(gòu)的空氣阻尼

圖6　速度幅值為3 m/s時不同結(jié)構(gòu)壓力云圖

圖7　速度幅值為3 m/s時不同結(jié)構(gòu)的速度矢量圖

體速度47.4 m/s，結(jié)構(gòu)二最大流體速度為22.3 m/s，結(jié)構(gòu)三最大流體速度為9 m/s。在端部開孔以后，空氣流通通道增多，整個壓強(qiáng)和速度分布規(guī)律都發(fā)生了變化，明顯降低了線圈組件與殼體圍城的狹長空間內(nèi)的流體壓力和速度的梯度，改善了壓力和速度分布，使流動更通暢，進(jìn)而減小了線圈組件受到的空氣阻力。

3　結(jié)論

對電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器進(jìn)行空氣動力學(xué)CFD計(jì)算, 可知線圈組件受到的空氣阻尼幾乎與速度的二次方成正比，影響很大。三種推力線圈骨架結(jié)構(gòu)的流場對比分析表明, 結(jié)構(gòu)二的空氣阻尼較結(jié)構(gòu)一減小81%， 結(jié)構(gòu)三的空氣阻尼較結(jié)構(gòu)一減小98%，效果顯著。

因此，高速工況下作用于電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的空氣阻尼能夠通過優(yōu)化其結(jié)構(gòu)而得到減小。

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