高速开关数字阀的电磁铁设计

电气技术与自动化 戴月红高速开关数字阀的电磁铁设计 -】C= 同 速开关数字阀的电磁铁设计 戴月红 (镇江高等专科学校，江苏镇江212003) 摘要：从高速开关数字阀中的电磁技术理论出发，研究了高速开关数字阀中的软磁合金材料 的选用原则，计算了电磁铁设计的尺寸，给出了整个电磁铁的设计结构和电磁铁部分装配元件 清单。 关键词：液压阀；数字阀；电磁铁 中图分类号：献标志码：B 文章编号：1671011)0512003，of in of 引言 高速开关阀是随着汽车中电控燃油喷射系统产生的， 它是电喷系统的控制执行器，所有喷射控制功能都是通过 此电磁控制阀来实现的，其工作性能直接影响燃油系统的 喷射控制特性。由于柴油机电控燃油喷射技术的迫切需 要，响应时间小于1 竞相研究的一大热点。本文的液压阀所要达到的技术 指标：压力P：21 量Q=6 L响3 33 在此基础上来进行大流量的探索。在高速开关数字 阀中电磁铁决定其响应时间的一个重要参数，因此选择高 速开关数字阀的电磁铁来进行分析与设计，为相关工程技 术人员提供有价值的参考。 1 高速开关数字阀中的电磁技术理论 高速开关数字阀的电磁铁可分为线圈、静铁芯及动铁 芯三部分，结构型式如图1所示。基本工作原理是：当线 圈2通电后，铁芯内部会产生磁通，在磁通的作用下，静铁 芯不动，衔铁则会吸合，衔铁的动作可使数字阀阀芯发生 联动，使得阀口打开；当线圈断电时，电磁铁的磁性消失， 衔铁与阀芯在阀芯复位力作用下释放，关闭阀口。 对于高速开关数字阀来讲，它要求可靠性高且动作频 繁，一般不采用交流电磁铁而采用直流电磁铁，这只因为 一般螺管型电磁铁的励磁线圈通电而衔铁尚未吸合的瞬 间，电流将达到衔铁吸合后额定电流的56倍，而通常设 计电磁铁时，其额定电流是按照吸合以后的电流确定的， 4 5 6 1一静铁芯(亦称铁芯或磁轭)；2一线圈； 3气隙(8)；4一磁通回路( )； 5一衔铁(亦称动铁芯)；6一开关数字阀阀芯 图1高速开关数字阀电磁铁构造 虽然吸合的瞬间电流会很大，但是这个时间很短，吸合的 过程只有几毫秒，因此即使吸合过程中电流会比额定电流 大很多，但是不会引起铁芯发热。如果衔铁或阀芯卡住不 能吸合或者频繁操作时，长时间的保持吸合的电流，交流 励磁线圈则严重发热甚至被烧毁。而直流电磁铁的电流 不论是吸合前还是吸合后，始终为所设计的额定电流值， 即使阀芯或衔铁卡住也不会引起铁芯发热、烧坏线圈。因 此从以上吸力特性的角度考虑，本设计决定采用直流电 磁铁。 作者简介：戴月红(1967一)，女，江苏扬中人，讲师，本科，研究方向为液压与气动，工程力学。 130 械制造与自动化 电气技术与自动化 戴月红高速开关数字阀的电磁铁设计 2 高速开关数字阀中的软磁合金材 料的选用原则 为了研制出高性能的高速开关数字阀，必须选择最合 适的软磁合金材料，简称为“三高三低”原则，即具有高饱 和磁感应强度 ，高磁导率 ，高电阻率P，低剩磁感应强 度 ，低矫顽力 ，低材料密度1)高饱和磁感应强度B ，确保了大吸力的要求，同 时提高了电磁铁的吸合速度，提高开阀的响应时间。 2)高磁导率 ，使磁路中磁阻显著减小，从而漏磁大 大减小，不仅确保了磁能有效率的提高，而且避免了有效 吸力的减小，加快了吸合速度；由于高导磁性，在线圈中通 入不大的激励电流，便可产生足够大的磁通和磁感应强 度，这就解决了既要磁通大，又要励磁电流小的矛盾。 3)高电阻率P，使电磁铁在磁化和去磁过程中所产生 的涡流显著减小，其所产生的反作用磁场显著减弱，则其 电磁铁的吸合和释放动作均加快。 4)低剩磁感应强度日 ，更有利于电磁铁的释放，弹簧 力也可大幅度减小，这从而又确保了电磁铁较大的有效 吸力。 5)低矫顽力 ，在电磁铁工作气隙处退磁场的作用 下使其剩磁曰，降至更低，更使其磁导率 在电磁铁处于 释放位置时为极低值，则其电感 值也降到极低值，减小 了电磁时间常数，加快了线圈电流的上升速度，进一步确 保了电磁铁的动作速度。 6)低材料密度d，使相同体积的质量很小，在同样的 吸力作用下，其动作的加速度就增大，即更进一步提高了 电磁体的反应速度。 3高速开关数字阀的电磁计算 首先选择合适的软磁合金材料见表1，11一14求，其性能参数为B =14 T，高磁导率 =4 Hm，高电 阻率P=115 Q剩磁感应强度B =02 T，低矫顽 力H =3 Am，低材料密度d=67 g 表1常用磁性材料的磁导率、剩磁及矫顽力 (Hm)8T Am 铸铁 一0000 25 硅钢片 一0叭一O013 11一1418 356524 铁镍铝钴合金 一 一 稀土钴 一 一 稀土钕铁硼 一 一 047505801 040 0800 3264 03360644 431599 1150 40 6001000 320000690000 11300000900000 确定电磁铁尺寸，首先要考虑电磁力需要克服多少 力，需要分析阀芯的受力。 要将阀芯打开，此时阀芯受力如图2可以分析。油液 由口进入，通过阀套径向油口进入环形容腔a，通过阀 芯两侧扁平槽进入容腔d，这样，作用在阀芯上的液压力 的有效作用面积s 即为阀座截面积，即 (D 2) =,n4 竹4 (3410 ) =00911) 图2高速开关阀电磁铁计算 设额定工作压力P =21 阀芯上承受液压力 w=1 0091 98 N=183113 N (2) 该作用力方向为使阀口关闭。 由于阀口处于关闭状态，故稳态液动力与瞬态液动力 ，。 设弹簧力F =098 N，方向为使阀口关闭。 由阀芯质量m。=385 g，得质量力G，=0372 4 N，方 向为使阀口关闭。 计算时，由于摩擦力很小，故忽略之，可将计算结果适 011，铀(5)：130133，166 当放大来弥补。 首先来确定动铁芯尺寸，由于开阀时还需克服动铁芯 质量力其尺寸正是需要来求解的，故先估计铁芯最 关键的尺寸即动铁芯直径0 厚度设为5 其与阀芯连接部分可根据强度要求估计(图2)。由此，经 建模得其质量m：=1485g，得质量力G =1430 8 N，方向 为使阀口关闭。 这样，开阀时电磁力需要克服的力 为液压力F ， 弹簧力 ，阀芯质量力G 及动铁芯质量力G：的合力，即 w+l+858962 N (3) 计算电磁吸力F，此时采用麦克斯韦电磁吸力公式， 131 电气技术与自动化 戴月红高速开关数字阀的电磁铁设计 F=I 4) 对于本数字阀电磁铁考虑吸力的圆积分面上的磁通 几乎全是均匀的，且其磁力线的方向都垂直于动铁芯截 面，则可简化为 F=曰；s =102 X 10。 (2 竹10 ) 曰s4963) S (5) 其中： 材料的饱和磁感应强度(T)； f钱圈导线的总长； s 线圈导线的截面积； 由式(6)可知，电磁吸力F=( 4 963) =(14 0004963) X (20 98=245 N (6) 看来动铁芯直径d：=20 阀芯打开，动铁芯的最大加速度。 为， F2518969198 12o 316 X 10 ms (7) 则由阀芯行程L：05 5 m，得开阀时间 = = 3 16 1063 ) 。 0。 。 一 、 若电磁吸力阀芯在质量力G。+ 与弹簧 力 与稳态液动力 合力作用下关阀，瞬态液动力是造 成阀芯工作不稳定的因素之一，但其数值所占比重不大， 故可忽略不计。 由于释放初始，阀芯开口度最大，方向使阀口关闭，稳 态液动力 此时最大其值可根据式(5)求得 065 盯34 X 10一 X X 0510一 4 X 10 N =0695 8 N (9) 阀芯关闭最大加速度 2+ s ：238449 m z(10) (385+1485)X 10 、 则关阀时间 =2 X 10l 2048 。一，0 “ 、 类似的，可计算其他动铁芯直径下的性能值，如表2 t。为 所示。 表2不同动铁芯直径计算结果 综合考虑，选择铁芯直径0 下面计算外筒尺寸。根据尽可能减少漏磁通，确保必 需的线圈安装空间等要求来确定其内径D ，外径静铁芯外径为20 确保线圈的安装空间，可设外筒 静铁芯内径D =35 增加静铁芯与外筒长度的方 法来扩大线圈安装空问，但这会增大平均磁路长度z。 外筒外径面积来确定 4(D 一D )=,d (12) +D = 0 +35 =403 13) 根据工程设计要求，在短时工作时其容许电流为 (1330)A取30 A选直径05 线，其截面积n405 =0196 其线圈 的容许的最大电流0 96=588 A，但对与高 速开关数字阀的几毫秒响应时间的特殊情况，其最大 电流可放大。 设线圈骨架壁厚2 铁芯直径20 绕线最 小直径24 外筒内径D =35 线圈的平均 直径 D=(24+35)2=295 均周长 L：啊295=92677 线圈匝数N=100匝，则其导线总长 L=100 77267 7 M (16) 由铜导线的电阻率P ：0018 nm，可得线圈 =0189267 70196=0851 n (17) 平均磁场强度H(Am)为 H=04,j (18) 若平均磁路长度平均磁场强度 感 越大，故综合应考虑。 选取Z=100 n=10A，N=115匝，则H=145 Am， 而材料达到饱和磁感应强度曰 的磁场强度H=(100 140)Am。从而电磁铁完全能够达到饱和磁感应强度。 由于为平衡动铁芯的受力，将油液引至动铁芯上部即 动、静铁芯间的气隙中，在开阀的过程中，必须及时将其中 的油液排出，以防止气隙中的油液对动铁芯的运动产生阻 碍。气隙中油液 =d；8=, 1571 (19) 在保证在开阀时间即05 (14) 流量 571 8852L20) (15) 为保证回油通畅，将回油速度设定在 。=3 ms，则n 132211机械制造与自动化 电气技术与自动化 戴月红高速开关数字阀的电磁铁设计 个排液孔直径d 应满足 n,d 8 (21) 满足不等式的取值如表3所示。 根据其他尺寸，得出孔的间隙，由此先直观的选出一 组数据。如图3所示。 375 表3排液孔取值表 3_25 图3各组排液孔与设计尺寸的间隙 根据图3来直观判断，选择9或12两组孑本设计选择9个直径4 后再应力分析。 4高速开关数字阀的电磁结构设计 75 根据以上计算，为优化结构，综合考虑以上分析，设计 的高速开关数字阀的电磁铁部分图样如图4所示。 、 y 07 o 一 J L 2斗 、 主 l 。 赛 l ， 4 澄 隧 12 一 5 f 列 I 阪 一 嬲 l I 5d i I 一 1 1一 l 1 - _ 1攫 一E 一国 4 0 一 一 2 一 蟋 匿 口40。3+ 目目豳 (a)电磁铁结构装配图 w 豳 (c)电磁铁结构三维建模 图4高速开关数字阀电磁铁设计装配图 (下转第166页) a 2011，40(5)：130133，166 电气技术与自动化 杨培刚，等3712 hD，002 3，A 18 us1988：91100 4W，of a x 999，12：4015W，of a 10 on 999，：11211126 6W，of a of N1996：34467n J983，05：7058zSFon 一1996，1(8)： 999109M ，of a 989，111：20210 of of ,005， 40(4)：475收稿日期：20110321 6 电磁铁引线端盖 1 钢 电磁铁静铁芯 1 12磁铁外筒 1 12磁铁线圈骨架 1 电木 电磁铁线圈 1 铜线 复位弹簧3 0520 1 钢 隔磁环 1 聚四氟乙烯 动铁芯(衔铁) 1 12O”形圈3631 1 橡胶 高速开关数字阀电磁铁质量共计g(未含所绕铜线) 1338 9642 18265l 10 692 1481 156 1338 9642 8 l 10 692 1481 156 4531 加工件 加工件 加工件 加工件 加工件 加工件 加工件 标准件 遵循前面分析的原则、计算之外，本设计的电磁铁在 结构上做了一些优化： 1)电磁铁内部设置隔磁环7(非磁性材料)图4 (a)，一方面可以起密封作用，防止油液进入线圈；二是 其最重要的作用在于防止磁通回路不经过动铁芯，而直接 经外筒与动铁芯短接； 2)排液孔所在螺纹处倒角(360。)，可以使回油更 通畅； 3)为防止线圈过热烧坏线圈骨架，材料采用电木，以 往设计通常采用塑料，耐温性能较差。 5 结语 随着社会的不断进步，电液控制技术的发展在不断进 步，本文正是在适应电液控制技术的发展的情况下，并结 合数字阀的实际应用出发，详细论述高速开关数字阀中的 电磁铁部