A multiphysics analysis was performed to investigate the phenomena of a linear control solenoid valve and analyze its design parameters under various external conditions. Axially symmetrical simulations were carried out to investigate simultaneously the phenomena of the electromagnetic field and the flow field coupled with a spring-mass-damper system. The spool stroke in a valve was determined by the balance between the forces, i.e. an electromagnetic force, a hydraulic force, a spring force, and a damping force. In turn, the spool stroke influenced these forces; the system included a two-way coupling problem. The Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method was employed to describe the dynamic behavior of the system. The simulation results were compared with experimental data to ascertain their accuracy and reliability. Magnetostatic analysis showed that a constant electromagnetic force could be obtained in the linear control solenoid valve because of the leakage of the magnetic flux at the core cone. In the multiphysics analysis, the controllable pressure range of the valve was found to be i=0.18~0.84 A owing to the hydraulic fore, which depended on the supplied pressure pushed the spool forward and enabled a wider controllable range. Although the supplied pressure improved the system linearity, a critical supplied pressure was required to ensure the linearity of the linear control solenoid valve. The effects of varying the rising time and the maximum external current on the behavior of the valve and its pressure sensitivities were examined. In addition, the geometrical redesign was conducted to ensure the controllable range of the linear control solenoid valve by the multiphysics analysis. The redesign II model, which had improved the core cone and the equivalent orifice area (EOA) was proposed. The core cone enabled the maintenance of a constant electromagnetic force despite variation in the spool stroke and the EOA with the spool stroke characterized the pressure sensitivity curves. The redesign II model could precisely control the pressure during the external current i=0.18~1.0 A; it was 68.3% of the total control range. Finally, three-dimensional numerical simulations were carried out to investigate the flow dynamic behavior of the spool with notches. The pressure sensitivity curves were determined according to the relation between the depth and the area of the notch in the range of the characteristic length with regard to the EOA.
본 연구에서는 비례제어 솔레노이드 밸브에 대해 다중물리 해석 방법을 제시하고 이를 이용하여 다양한 설계 변수에 대한 시스템의 동적 거동을 분석하였다. 비례제어 솔레노이드 밸브의 스풀 위치는 전자기력, 유체력, 스프링력 그리고 감쇄력의 균형에 의해 결정된다. 이와 반대로 스풀의 위치는 이들 힘들에 다시 영향을 미치기 때문에 시스템의 거동은 전자기장과 유동장, 1자유도 시스템과 밀접히 연계되어 있다. 비례제어 솔레노이드 밸브를 2차원 축대칭으로 모델링 했으며 시스템의 동적 거동을 모사하기 위해 ALE 기법을 사용하였다. 다중물리 해석의 신뢰성을 확보하기 위해서 솔레노이드 전자기력과 시스템의 동적 거동을 분석할 수 있는 시험장치를 구성하고 평가하였다. 비례제어 솔레노이드 밸브가 정밀 제어를 하기 위해서는 전자기력은 플런저 변위와 관계없이 일정하도록 요구된다. 전자기부 코어 콘에서 자속의 바이패스와 누설을 이용하여 일정한 전자기력을 얻을 수 있다. 비례제어 밸브에서 유체력은 제어압력이 피드백되어 스풀을 진행방향으로 밀어주는 역할을 하며 스풀 변위가 최소일 때 최대가 되며 스풀 변위가 증가할수록 점점 작아진다. 유체력이 존재할 때 비례제어 밸브의 압력 제어 범위가 0.18~0.84 A로 넓어지는 것을 다중물리 해석과 실험을 통하여 확인하였다. 그리고 전류의 상승시간, 최대 전류 그리고 공급압력 변화에 따른 시스템의 거동을 분석하였다. 특히 유체력은 공급압력에 비례하여 증가하지만 시스템의 안정성을 위해 공급압력의 한계가 존재함을 알 수 있다.
다중물리해석을 이용하여 초기 모델에 대해 문제점을 분석하고 기하학적 형상과 시스템 변수를 변경한 개선 모델을 제안하였다. 전자기부의 코어 콘 형상을 개선하여 스풀이 고 변위에 이를 때 전자기력이 급격히 감소하는 현상을 개선하였으며 유압부의 공급포트와 제어포트 거리를 증가시켜 스풀 변위의 선형성을 향상시켰다. 그리고 코일의 턴 수를 줄여 보다 넓은 범위에서 스풀을 제어할 수 있도록 변경하였다. 그 결과, 비례제어 솔레노이드 밸브 개선 모델은 압력 제어 범위가 0.18~0.84 A로 전체 전류 제어 범위의 68.3%이며 초기 모델에 비해 보다 정확히 압력 제어를 할 수 있다. 마지막으로 스풀 노치가 시스템의 압력 제어 특성에 미치는 영향을 살펴보기 위해서 3차원 유동해석을 수행하였다. 비례제어 밸브의 제어압력은 특성 길이 내에서 EOA변화에 의해 결정된다. 스풀 노치는 제어 압력 강하 시점을 지연시키고 제어 압력이 보다 빨리 배출 압력에 이르게 하여 보다 부드러운 압력 특성을 만든다.
