电磁阀“电磁-温度-流体-应力”多物理域耦合仿真分析

引言

作动器作为一种将电能有效转化为机械能的基本组件，广泛应用于自动化技术和远程控制领域。本文旨在深入探讨作动器的工作原理，结构组成，多物理场耦合分析及其在实际应用中的复杂分析过程，特别是利用ANSYS软件平台对特定电磁阀进行建模和仿真。




作动器的工作原理与结构组成

作动器通过通电产生对铁磁物质的吸力，实现能量从电能向机械能的转换，调控负载以实现速度、方向、位移、力的精确控制。该设备在多种自动化设备（如继电器、接触器、变换器）和控制系统中，尤其是操纵气阀、油阀的电磁阀领域，具有关键作用。

典型的作动器结构包含铁心、线圈、衔铁和弹簧等基本组成部分。这些组件协同工作以控制负载，其工作原理通过断电与通电状态的切换实现，直观展示了电磁阀的开启与关闭过程。具体操作可分为：

离线状态：断开电源，弹簧力和液动力驱动部件进行内部运动至指定位置，实现油液通道的连通与切断。

在线状态：通电动作产生电磁力克服弹簧力和液动力，推动部件至另一位置，完成从通油口至回油口的路径切换，控制油液的流向与流动。

多物理场耦合分析流程

多物理场分析是现代工程设计中的关键环节，尤其是涉及热能、电磁能、流体动量和结构力学等多物理领域的系统。本文引入使用ANSYS Workbench软件进行集成分析，能够实现各物理模态的数据共享、循环迭代和精确匹配，确保仿真模型更贴近实际物理模型。以提供的电磁阀模型为例，分析流程如下：

1. 固态电磁场模拟：通过ANSYS Maxwell模块推计算线圈绕组的热损耗，后续温度分布通过导入至其他模块。

2. 流体动力学分析：利用ANSYS Fluent模块对油液内部流场进行全速度和压力分布仿真。

3. 结构热应力分析：结合以上模块的输出（温度分布、流体压力和对流系数），运用ANSYS Mechanical平台分析电磁阀内部结构在热应力情况下的行为。