高速电磁阀材料磁性能分析与应用_胡猛

如图 12 所示。
本文通过对高速电磁阀材料进行磁性能测试， 分析了电磁阀工作温度、材料热处理等因素对磁性 能参数的影响，并比较了不同材料在电磁阀中的应 用，主要结论如下：
a. 被测 5 种材料的饱和磁极化强度的大小顺 序为： 电磁纯铁 ＞ 齿轮钢 ＞ 马氏体不锈钢 ＞ 轴承 钢 ＞ 耐蚀软磁合金。
b. 在 － 44 ℃ 至 139 ℃ 区间内，被测 5 种材料的 磁性能参数变化不大。
关零件被完全磁化，因此，材料饱和磁极化强度对保
证电磁力就显得比较重要。测得 5 种材料的磁化曲
线和磁滞回线如图 2。
表 1 测试棒样
序号 1 2 3 4 5
材料 轴承钢 耐蚀软磁合金 电磁纯铁 马氏体不锈钢 齿轮钢
直径 × 长度 / mm × mm Φ90 × 10 Φ90 × 10 Φ90 × 10 Φ90 × 10 Φ90 × 10
图 9 为用于材料比较分析的高速电磁阀结构示 意图。为了分析磁性材料对电磁阀磁性能的影响， 在保证电磁阀结构尺寸和输入电流相同的情况下， 设计电磁阀的材料方案如表 3 所示。
利用有限元分析软件对 2 种材料的电磁阀进行 瞬态计算，两者的有限元模型除材料外均一致，控制 电流曲线如图 10 所示。
从图 2 可以看出马氏体不锈钢材料的饱和磁极 化强度比耐蚀软磁合金的高 0. 18 T。
［2］近角聪 信． 铁 磁 性 物 理［M］． 兰 州： 兰 州 大 学 出 版 社， 2002.
［3］赵凯华，陈熙谋． 电磁学［M］． 北京： 高等教育出版社， 2006．
从图 12 可以看出电流保持阶段，马氏体不锈钢 材料模型的电磁力比耐蚀软磁合金材料的电磁力高 9 N 左右，电磁力增幅为 18 % 左右。可见材料对电 磁阀电磁力的影响比较可观，同时也反映出材料磁 性能参数的微弱变化能引起电磁阀电磁力相对较大 的变化，从 1. 3 节和 1. 4 节可以看出，温度和热处理 对材料磁性能有一定的影响，因此，在电磁阀材料选 择和使用的时候，应当根据实际情况考虑温度和热 处理对电磁阀电磁力的影响。
第 3 期（ 总第 155 期） 2014 年 8 月
现代车用动力 MODEＲN VEHICLE POWEＲ
No. 3（ serial No. 155） Aug. 2014
doi： 10． 3969 / j． issn． 1671 － 5446． 2014． 03． 013 网络出版时间： 2014 － 08 － 22 15： 03 网络出版地址： http： / / www． cnki． net / kcms / doi /10． 3969 / j． issn． 1671 － 5446． 2014． 03． 013． html
3 结束语
图 10 控制电流曲线
图 11 电磁阀有限元模型
瞬态计算动力学模型为：
F
=
M
d2 x dt2
+
C
dx dt
+
K（
x
－
x0 ）
+f
（ 4）
其中： F 为电磁力； M 表示运动件（ 衔铁合件） 质量；
C 表示阻尼； K 表示弹簧刚度； f 表示摩擦力； x 表示
弹簧工作时长度； x0 表示弹簧初始长度，基于该动 力学模型计算得到 2 种材料方案的电磁力变化曲线
根据图 9 所示的电磁阀结构，在有限元软件中
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现代车用动力
建立三维电磁瞬态分析模型，如图 11 所示。
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图 9 电磁阀结构示意图
图 12 2 种材料方案的电磁力
表 3 电磁阀材料比较方案
零件 定子 衔铁 线圈罩 压板 下壳体 衔铁杆
方案 1 材料
方案 2 材料
马氏体不锈钢
耐蚀软磁合金
从图 2 可以看出上述 5 种材料的样件在外磁场 强度为 50 kA / m 左右时，磁化基本达到饱和状态， 这 5 种材料的饱和磁极化强度的大小顺序为： 电磁 纯铁 ＞ 齿轮钢 ＞ 马氏体不锈钢 ＞ 轴承钢 ＞ 耐蚀软磁 合金。
1. 3 工作温度对材料磁性能参数的影响 因为高速电磁阀的工作温度变化较大，所以，有
样内的磁感应强度（ B） ，如公式（ 3） 所示：
B = Φ / （ N2·S）
（ 3）
式中： S 为环样的横截面积。此时就可以得到 B 与
* 收稿日期： 2014 － 03 － 27 作者简介： 胡猛（ 1987 － ） ，男，江苏徐州人，助理工程师，目前主要从事电磁阀的计算分析工作。
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现代车用动力
关键词： 电磁阀； 磁性能； 测试； 有限元
中图分类号： TK425
文献标识码： A
文章编号： 1671 － 5446（ 2014） 03 － 0047 － 04
Analysis and Application of High-Speed Solenoid Valve Material
HU Meng1 ，BU An-zhen1 ，ZHOU Wang-jing1 ，ZHAO Hong-yun1 ，WU Qiong2 ，WANG Zi-sheng2
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测试得到上述 4 种材料不同温度的磁化曲线和 磁滞回线如图 3 至图 6 所示。
从图 3 至图 6 可以看出，从 － 44 ℃ 至 139 ℃ ， 上述 4 种材料的磁性能参数变化很小，其中轴承钢 的磁性 能 参 数 受 温 度 影 响 稍 大 一 些，从 － 44℃ 至 139 ℃ ，轴承钢的饱和磁极化强度降低了 0. 09 T，降 幅为 5. 8% ，其他 3 种材料的饱和磁极化强度的降 幅均小于 3% 。可见温度在 － 44 ℃ 至 139 ℃ 区间 内，上述 4 种材料的磁性能参数相对较稳定，可以基 本保证在测量温度区间内电磁阀性能的稳定性。
度不大于 20 kA / m，产生该强度的磁场需要绕线的
匝数较多，易 产 生 人 工 误 差，会 影 响 测 量 结 果 准 确
性。但是，环样测试可以将测试样件放在温度箱中
测量，比较温度对磁性能的影响。
1. 2 常温下材料磁性能测试
选择 5 种材料作为测试对象，5 种棒样的材料
和尺寸如表 1。通常情况下，高速电磁阀工作时相
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H 的对应值，通过改变输入电流 I，即可绘制出环样 的磁化曲线或磁滞回线。
图 1 环样磁性能测试原理简图
棒样和环样的磁性能测试各有优缺点。棒样测
试的外磁场由电磁铁磁轭部件提供，可产生的磁场
强度为 50 kA / m 左右； 环样测试的外磁场是由环样
上的绕线产生，绕线由人工完成，通常产生的磁场强
图 2 5 种材料磁化曲线和磁滞回线
图 3 轴承钢磁化曲线和磁滞回线
1. 4 材料热处理对磁性能参数的影响 为了保证高速电磁阀相关零部件的结构强度和
耐磨性，通常要对电磁阀相关零部件进行渗碳、淬火 等热处理。通常情况下，渗碳、淬火类热处理会影响 材料的磁性能，特别是对矫顽力的影响比较大。为
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∮ HdL = N1·I
（ 1）
由于样件为环样，公式（ 1） 可转化为：
H·2πＲ = N1 ·I
（ 2）
式中： H 为磁场强度； Ｒ 为环样等效半径。可以看出
初级线圈通入电流 I 后，在环样内产生的 H 可由公
式（ 2） 计算出。此时在环样内产生的磁通量（ Φ） 可
以通过接在次级线圈上的磁通计测得，则可求出环
（ 1． FAW Wuxi Fuel Injection Equipment Ｒesearch Institute，Wuxi 214063，China； 2． China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）
Abstract： Excellent magnetic properties，being affected by many factors ，were required for high-speed solenoid valve’s complicated working condition． In this paper，magnetic properties of certain type materials were measured and analyzed，and the influence of working temperature and heat treatment on its properties was considered． Besides，On the basis of FEA method，the electromagnetic force of the solenoid valvefor different materials was calculated and compared，which was helpful to the material optimization． Key words： solenoid valve； magnetic properties； measured； FEA
1 材料磁性能测试与分析
1. 1 测试设备及原理 测试选用的设备为德国产的 C750 型 B-H 测试
仪。该设备可以测量棒样和环样的磁性能，由于棒样
和环样的磁性能测量原理相同，此处仅以环样为例，
简要说明测量原理。图 1 为环样磁性能测试原理简
图，N1 表示初级线圈匝数，N2 为次级线圈匝数。当初 级线圈通入电流（ I） 后，根据安培环路定理可知：
图 4 耐蚀软磁合金磁化曲线和磁滞回线
图 7 热处理前、后磁化曲线和磁滞回线
图 5 电磁纯铁磁化曲线和磁滞回线
图 8 热处理前、后磁导率曲线
2 材料对电磁阀磁性能的影响
图 6 马氏体不锈钢磁化曲线和磁滞回线
从图 7 可以看出，淬火热处理后，材料的矫顽力 明显增加，其中轴承钢的矫顽力由 0. 78 kA / m 增加
*
高速电磁阀材料磁性能分析与应用
胡猛1 ，卜安珍1 ，周望静1 ，赵洪云1 ，吴琼2 ，王子生2
（ 1． 中国一汽无锡油泵油嘴研究所，江苏 无锡 214063； 2． 中国计量学院，浙江 杭州 310018）
摘要： 高速电磁阀工作状况复杂，对电磁材料磁性能要求很高，影响材料磁性能的因素较多，从电磁阀工作温度和材料热处理 两个角度对多种类型材料进行了试验研究，同时，利用有限元计算方法，分析了不同类型材料对电磁阀性能的影响，为电磁阀 材料选择和优化提供指导。
必要研究温度对电磁阀材料磁性能的影响。选择 1. 2 节中的前 4 种材料进行低温、常温和高温磁性 能测试，测试样件为环样，测试方案如表 2 所示。
表 2 环样温度测试方案
材料 轴承钢 耐蚀软磁合金 电磁纯铁 马氏体不锈钢
温度 / ℃
－ 44
23
139
－ 44
23
139
－ 44
23
139
－ 44
23
胡猛，等： 高速电磁阀材料磁性能分析与应用
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了研究热处理对材料磁性能的影响，特将淬火处理 后的轴承钢和齿轮钢材料加工成棒样测量其磁性能 参数，并与其未热处理情况下的磁性能参数进行比 较，得到比较结果如图 7 和图 8 所示。
到 3. 61 kA / m，增幅 362. 8% ，齿轮钢的矫顽力升高 了 1. 513 kA / m（ 升高了 288. 2% ） ； 淬火热处理后饱 和磁极化强度略有降低，其中轴承钢的饱和磁极化 强度降低了 0. 085 T（ 降幅 5. 1% ） ，齿轮钢的饱和磁 极化强度降低了 0. 041 T（ 降幅 2. 04% ） 。从图 8 可 以看出，淬火热处理后这 2 种材料的最大相对磁导 率明显降低。
c. 淬火热处理对材料磁性能影响较大，特别是 对矫顽力的影响比较大。
d. 高速电磁阀材料选择和优化可以使用测试 和有限元相结合的方法。
参考文献：
［1］Cullity B D，Graham C D． INTＲODUCTION TO MAGNETIC MATEＲIALS［M］． Piscataway： IEEE Press，2009．
引言wenku.baidu.com
高速电磁阀的重要性日益突出，电磁阀材料的 磁性能是保证电磁阀性能的重要因素，因此，有必要 研究电磁阀材料的磁性能。影响电磁阀材料磁性能 的因素很多，从电磁阀工作温度和材料热处理两方 面进行考虑，通过优选电磁阀材料，并进行多工况磁 性能测试，研究了这两方面因素对材料磁性能的影 响，并利用有限元计算方法，分析不同磁性材料对电 磁阀性能的影响，为电磁阀选材提供参考。