在肾功能衰竭疾病的治疗中,血液透析是目前最主要､ 最有效的治疗手段之一,其主要作用是清除患者体内代谢所产生的废物,调节水和电解质及酸碱平衡等^[1] ,有 “人工 肾”之称的血液透析机则是当前实施血液透析治疗的必备设备｡目前,血液透析机主要包括透析液供给系统和体外血液循环系统^[2]｡血液透析电磁阀是血液透析机的重要部件之一,其可靠性､安全性在肾功能衰竭疾病的治疗中尤为重要｡ 血液透析电磁阀主要用于控制透析机中液体通路的导通或断开｡常用的电磁阀由阀体､线圈､静动铁芯等部件组成,通过线圈与铁芯间的电磁作用直接控制铁芯上下移动,从而实现电磁阀阀门的开闭｡

作为医用设备,电磁阀的设计方法决定透析机的工作效率,目前市面上使用的电磁阀主要存在易被液体腐蚀生锈､ 噪声大､漏液等缺陷^[3-5],影响透析机的工作效率｡基于此, 本研究详细介绍了一种电磁阀的具体设计方案,并通过使用 Ansoft Maxwell仿真软件,利用有限元分析方法对设计完成的电磁阀模型进行仿真,分析调整电磁阀设计参数,有利于提 升电磁阀可靠性和工作性能｡

1  电磁阀设计

1.1  电磁阀原理分类

目前,国内外的电磁阀设计原理上主要分为三大类,分别是直动式､分布式､先导式^[6]｡其中直动式电磁阀是较为普遍的一种设计方法,其主要原理是当电磁阀通电后,电磁线圈产生电磁吸力使提起铁芯,打开阀门;断电时,电磁力消失,依靠弹簧力控制铁芯下压,关闭阀门｡

1.2  电磁阀设计方案

本电磁阀基于直动式原理设计而成,是一款常闭阀,其阀门关闭结构示意图如图1所示,阀门打开示意图如图2所 示,下面详细介绍本电磁阀结构示意及工作原理｡

在图1所示的电磁阀开启示意图中,电磁阀由以下主要部件组成:阀体 (1)､第一通孔 (2)､第二通孔 (3)､内腔 (4)､线圈体 (5)､线圈固架 (6)､滑动圈 (7)､静铁芯 (8)､弹簧 (9)､动铁芯 (10)､连接杆 (11)､密封体 (12)､导线 (13)等｡

                                                    图 1  电磁阀阀门关闭示意图

                                  图 2  电磁阀阀门打开示意图

血液透析用电磁阀阀体开有内腔,且带有两个各自与内腔相贯通的第一通孔和第二通孔,三者为注塑成型的一体结构,加工简单,成本较低,并且密封性好,不会造成漏液｡电磁阀第一通孔直接与内腔贯通,第二通孔被密封体封堵, 此时阀门处于关闭状态｡在阀体上还固定有线圈体,该线圈体中被线圈固架包围;在线圈体与静铁芯之间还安装有滑动圈,其与动铁芯之间滑动配合｡电磁阀动铁芯和静铁芯之间由一弹簧连接,该弹簧下端嵌入动铁芯内部,牵引动铁芯上下运动;动铁芯则通过一连接杆与密封体内部镶嵌套,两者紧密配合,不会发生松动,当导线通电之后,电磁阀开始工作,控制密封体上下移动,实现阀门的开闭｡

1.3  电磁阀材料选择

血液透析用电磁阀阀体由冷轧钢制成;线圈固架､密封体和连接杆均由聚四氟乙烯制成,因为这部分直接与液体接触,由金属材料制作的部件容易被液体腐蚀生锈,容易造成医用液体污染^[7]｡电磁阀静动铁芯由纯铁 DT4材料制成,弹簧为弹簧钢,导线为铜质材料｡

1.4  电磁阀工作特性

血液透析用电磁阀具体工作特性如下:位于阀体的第一通孔与内腔相贯通,第二通孔与阀体内腔的通路由密封体封堵｡ 在导线未通电的情况下,弹簧始终向动铁芯施加向下的压力, 使动铁芯带动密封体封堵住第二通孔与内腔之间的入口,这时第一通孔与第二通孔完全隔离,无法通过液体｡当导线通电时,线圈产生的电磁力使动铁芯克服弹簧的弹力后向上移动, 弹簧进一步压缩,密封体在滑动铁芯的带动下向上移动,此时第二通孔与内腔贯通,进而与第一通孔的中心孔相通,实现了 阀体的开启｡以上就是本电磁的设计方案及工作原理｡

2  电磁阀Ansoft Maxwell仿真

在设计完成电磁阀之后,需要利用 Ansoft Maxwell对电磁 阀进行数值仿真计算,并利用其分析不同结构参数等对电磁 阀性能的影响,本研究主要利用该软件完成电磁阀气隙等参数对工作性能的影响｡具体方法如下｡

2.1  创建模型

电磁阀仿真二维模型依据前文设计模型建立｡由于其是轴对称的,所以只需在 Maxwell2D的 RZ柱坐标下创建电磁阀 1/2模型即可^[8],节约计算时间｡因为电磁阀的一些倒角､ 螺纹等对计算结果不会造成影响,所以在创建时忽略了这些因素｡除此以外,为了考虑漏磁的影响,还需要创建一个空气模型将所有材料包围^[9],图3即为创建完成的二维简化计算模型｡创建完成电磁阀几何模型之后,并按照前文所述电磁阀材料选择,对其各组件分配材料即可｡

                                  图 3  电磁阀二维模型图

2.2  建立仿真条件和划分网格

在创建电磁阀二维模型时设置过一个求解区域,现需对其四条边界设置条件,在此处将其设为 Balloon属性,规定求解区 域｡其次设置线圈为 500安匝,电磁阀初始气隙为 0.1mm｡同 时,为了更好地观察计算结果,还需对二维模型进行网格划分｡

2.3  设置求解条件并求解

Ansoft Maxwell为用户提供了参数化求解功能,用户只需根据需求设置合适的变量即可｡如本电磁中的线圈匝数､工作气隙对电磁阀力的影响过程,均可使用参数化求解^[10]｡本研究将电磁阀初始气隙设为1 mm,最大气隙为 3.5 mm,步长为 0.2 mm｡根据上述步骤设置好所有条件之后,便可进行后台处理计算｡

2.4  仿真结果分析

为简化运算,本次仿真只计算了电磁阀的磁力分布､磁感应强度分布和工作气隙对电磁力的影响｡由图4电磁阀磁力线分布图可以看到,电磁阀在通电过程中存在漏磁现象, 实际使用中一般应该避免将电磁阀放置在比较潮湿的环境中,防止电磁阀线圈受潮,避免降低绝缘效果｡

图5为电磁阀磁感应强度分布图,从图中可以看到,电磁阀动铁芯上端磁感应强度为 1.28 T,在动铁芯与静铁芯形成的工作气隙部位,磁感应强度达到 1.92T,且磁压降大部分集中在工作气隙处,这是因为空气气隙的磁导率比较小, 磁阻比较大,所以工作气隙部磁压降所占比例大｡

图6为相同线圈安匝数下,不同初始工作气隙对电磁力影响的关系曲线｡由图 6可知,当在线圈两端施加稳定的驱动电流时,电磁力随着工作气隙的增大而减小,这是因为随着初始工作气隙的增大,磁阻也会相应增大,进而造成磁场强度减小,电磁力下降｡因此,在设计使用电磁阀时,初始工作气隙一般应取合适的数值,太大会降低电磁力,而太小又会使得电磁阀的稳定性变差｡

                                      图 4  磁力线分布

                                     图 5  磁感应强度分布

                                图 6  不同工作气隙对电磁力的影响

3  讨论

本研究通过阐述血液透析､血液透析机的工作原理,讨论电磁阀在血液透析中的作用以及目前电磁阀存在的缺陷等,完 成设计了一款电磁阀,并详细介绍了一种电磁阀的设计原理､部件选择､结构组成和材料选择以及工作特性等｡在此基础上,本研究通过利用 Ansoft Maxwell仿真软件对所涉及电磁阀进行仿真分析,得出电磁阀的磁力线､磁感应强度和工作气隙 对电磁力影响关系,优化电磁阀结构设计和各参数｡

总之,本研究提出了一种新的电磁阀设计方案和思路, 解决了电磁阀漏液､易生锈等问题,达到提升电磁阀工作寿命､增强透析机工作效率的目的,但是应指出的是,本电磁阀还存在不足之处,未来研究将继续改善提升性能｡

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