比例电磁铁综述-完整版

1、1. 比例电磁铁的结构原理比例电磁铁结构主要由衔铁、导套、极靴、壳体、线圈、推杆等组成。其工作原理是: 磁力线总是具有沿着磁阻最小的路径闭合，并有力图缩短磁通路径以减小磁阻。图1比例电磁铁的结构动子由两种不同的材料组成，中间的是导磁材料电磁纯铁一中间开孔，左边的推杆导磁，右边的推杆非导磁。动子由油布轴承支承，推杆用以输出力。为了动子可以左右运动， 在左端右挡板，在右端装有弹簧组成的调零机构。导套前后两段由导磁材料制成， 中间用一段非导磁材料一 隔磁环。导套前段和极靴组合， 形成带锥形端部的盆形极靴， 导套和外筒间配置同心螺线管式控制线圈。 外壳采用导磁材料， 以形成磁回路。本电磁铁中因为有导套

2、中隔磁环的特殊设计才有了输出力是准恒定的特性。图2隔磁环焊铜在一定的位移范围内，动子的输出力为一准恒定值。根据电磁铁根本工作原理，在动子 运动过程中，磁阻会越来越小，动子受力越来越大，不会出现输出力恒定的情况，为了使电磁铁能在一定位移内输出近视恒定的力，电磁铁采用结构的特殊一隔磁环就是使动子输出力恒定的原因。当给比例电磁铁控制线圈通入一定电流时，在线圈电流控制磁势左右下， 形成两条磁路，一条磁路i由前端盖经盆形极靴底部沿轴向工作气隙进入衔铁，穿过导套后段、导磁外壳 回到前端盖极靴，产生轴向力Fai ；另一条磁路 2经盆形极靴锥形周边导套前段径向穿过工作气隙，再进入衔铁，而后与i集合形成附加轴向

3、力 Fa2，二者综合得到比例电磁铁输出力Fa相对于衔铁位移的水平特性。图3比例电磁铁的磁路分布1产生的端面力为:2产生的轴向附加力为:图4不同时刻电磁铁内部磁力线分布2. 比例电磁铁的工作过程对工作中的电磁铁来说， 在通电或断电或一定电流 电压下动子能快速准确地到达指定 位置，但实际上由于存在电感和动子质量，或负载的原因，使得动子的运动过程变得复杂。电磁阀吸合运动过程可分为两个阶段：吸合触动时间tl和吸合运动时间t2，tl是从线圈得到电压起到电流按指数曲线增至吸合电流为止的过程，在此过程中衔铁尚未运动，这段时间是由于电与磁的惯性引起的滞后时间，取决于电磁铁的结构、材料、线圈电压、电感的大小和弹

4、簧预紧力大小；进入t2阶段后，吸力大于预紧力，衔铁开始运动，电流变化规律就比拟复杂：由于工作气隙在衔铁运动过程中逐渐减小，使线圈电感逐渐增大并产生反电势， 它与线圈自感电势一起， 共同阻止线圈电流的增长， 致使线圈电流增大到一定程度后不仅不 再增大，反而有减小趋势，直到衔铁闭合，工作气隙不再变化，反电势为零，电流按新的指 数曲线上升至稳态电流。 这段时间取决于阀芯所受的各种阻力。对于电磁阀的释放过程，如果忽略磁导体中涡流的影响，当线圈信号切除后，电流立即降为零，衔铁随即开始运动，故其释放触动时间接近于零，远较吸合触动时间短。图6 不同电流下比例电磁铁的力位移曲线电磁力的大小为Fm -1(Ni)

5、2 oS，与线圈匝数平方成正比，与气隙间隙平M 2 0S 2方成反比。在电磁阀其它结构参数和驱动电流以与气隙宽度大小相同时，线圈匝数越多，气隙的磁场强度就越强，那么气隙磁感应强度也越大，电磁吸力也就越大。 但实际上线圈匝数不是越多越好，随着匝数的增加，会使线圈电感和线圈电阻增大，从而在衔铁吸合初始阶段限制了驱动电流的迅速增大，在释放过程中使电流衰减速度变慢。电磁阀气隙宽度包括衔铁工作行程和剩余间隙宽度两个局部。当衔铁完全开启时，此时气隙宽度等于衔铁工作行程和剩余间隙宽度之和。当衔铁完全吸合时，气隙宽度等于剩余间隙宽度。随着气隙宽度的增大，将使电磁吸力减小。衔铁工作过程中，气隙宽度减小，有利于电

6、磁阀的翻开。在剩余间隙不变的前提下，如果衔铁工作行程增加，那么在关闭过程和重新翻开 过程的时间增加，电磁力增加速度平缓，电磁阀的动态特性变差。同时，驱动电路的形式与参数直接决定线圈电流波形，并极大地影响电磁阀的响应速度。驱动电压为 24V时，电磁阀响应时间为0.4ms，当驱动电压为 48V时，电磁阀响应时间为0.25ms，驱动电压的升高对电磁阀的响应速度有着明显的影响。不过，驱动电压从48V到100V之间，响应时间的提高率为o.02ms/2OV，驱动电压从100V提高到120V,响应时间缩减的幅度更小了，仅为 0.01ms。(b)比例电磁何理想电磁扶l.ft KW©开关电磁铁(心非线

7、性电磁铁图7不同电磁铁工作特性曲线3. 比例电磁铁试验台测控系统系统主要由工业机、数据采集单元、输出制单元、传感器和比例阀测试试验台等组成。工控机是整个测试系统的主控机它通过人机界面接收用户指令，并根据试验内容选择相应的程序进行数据采集处理、 显示、打印和输出指令信号控制比例阀测试试验台的动作。传感器单元括三个压力传感器和两个位移传感器，负责将表征被测系统的物理量转化为标电信号，送入数据采集卡进行显示或处理。输出控制单元包括 4路数字量输出1路模拟量输出，负责 将工控机的指令信号进行转换和放大，最终控制比例阀验台的执行元件。图8试验台测控系统的组成图9比例电磁铁测试装置4. 比例电磁铁的材料电

8、磁阀的铁芯采用铁磁性材料，不同的铁磁性材料具有不同的磁化曲线，其磁感应强度B与磁场强度H的关系为B=y H,它对电磁阀的性能产生重大的影响，因此必须根据电磁阀 的设计与性能要求进行合理的选择。表1和表2列出一些常用软磁材料的主要特点、应用范围和主要性能参数。 比拟和分析这些参数，电工纯铁的极限磁感应强度很高，磁化曲线在宽广的范围内具有较高的磁导率， 并且该材料的冷加工性能良好，价格适中，所以应选用铁芯材料为电工纯铁的电磁阀用于电控泵一管一阀一嘴燃油喷射系统中。电磁阀的锥阀阀芯局部山于在运动过程中阀芯锥形头部不断撞击阀体，因此可考虑锥阀阀芯的主体局部采用电工纯铁，而阀体头部选用硬度高，耐磨性好，

9、抗振动冲击性能好的材料，如铁铝合金。具有高饱和磁通密度和高电阻率的材料非常适合用于制造高速电磁阀。高饱和磁通密度意味着材料能将更多的电能转化为磁能， 而高电阻率那么意味着涡流损失更小， 磁场渗透速度 更快，电能转化为磁能的速度越快。 另外，矫顽磁力对响应速度的影响并不明显， 原因在于 由于用强电能鼓励，产生强的外部磁场使磁材料迅速饱和，相较于外部表1软磁材料的品种、主要特点与应用范围品丼主嬖特点应用龜田 电工用纯秋或抵戰 电丄创書崙HittMau冊.艮髙ii 出 I5T ft 4、立丸T H 不丈小.电祖串低.冲加工 件能好腔増于肖流锻岳 统皿号钢肘誉性 能和电工州蠟轶叢 小多'铁凝合

10、盘A血很商代根小斗 不昌.册格贵播性能对机 墟应力蠟帶馬敏感砸垂轨,科 屈场丄作闌因原 逹、雑故尢暮电昭那直.比币心.出不玄 大，X布小谑戌瞞.耐 詡性好"执扳动冲击性絶対町以代轄某严铁皈合令屋尸训汁咋能电机出摊电签并诩片$较高，足詛跟禺，独担豪 歌执性牡芋.谀度商，呃性 增大玄流昭乐杭歐希別高达2.4T.崩甲 总高.ti±9H0t,环高、时囱蚩适含做里童轻坏 枳小，耐咼痂的航穿圧字脚此坤軟谨佚氧体;谏锌力翼會罠化賊梢休，电匾 串權烏.怦扫金稳定性高频段校冊频几 祥到九目样;用 吃醸兀件表2软磁材料的主要性能参数対料也/TH / (A/w)AKl oor帅电工純说2+14L

11、 Q7 +<100D.2y. x& DW号钢2. 130. T.ZKfif jt'Hz珠鼻合傀盯50匕BUo.a10112.25-45懺廉合金11旳0, 75僵57人fi1 4和_|O(L180秋掠注鮎吊13. GO- LfiO32-1tiAt.0. 65 -Q. 75k 42.44*B却g10D闻L940.5-18劭:怡0.47.5'9. ft1.0Q12-31fU1433Bt怙會豪U222. 361.374120-丨刖0.74.5lh Wzzn材料虬/TpxIOr*!( u/cm 冷r/vHt rfttf(i. 9DIZITMm10弓钢0.75)J-fiT.圏

12、770铁瞧合喘IJSG0. S7药同H 20RM0.1255-fiOfl. bl)isy 會豪tjt70L游73tl饨锂僅绕ijie140-1H06.50400那利苜划片DllOW仇呂SS 72T,n5I74W冲H琦利屮tX0.75(BSB7,70+I -剂乱祐许誰1.【221. LD278.209«fl5. 电磁阀设计方法电液比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀，它可以承受电信号的指令，连续成比例地控制系统的压力、流量等参数，使之与输入电信号成比例的变化。电液比例阀多用于开环系统中， 实现对液压参数的遥控，也可作为信号转换与放大元件用于闭环控制系统。与手动调节和通断控

13、制的普通液压阀相比，它能大大提高液压系统的控制水平；与电液伺服阀相比，虽然它的动静态性能有些逊色，但结构简单、本钱低，已能满足多数对动静态指标要求不很高的场合。大多数比例阀的频宽为(550)Hz范围，而超高速比例阀到达300450Hz滞环误差多在 1%7之间。设计电磁铁的一般步骤： 首先根据电磁吸力的要求与衔铁结构形式估算衔铁直径，然后估算线圈的外径与长度、确定线圈的匝数、磁势等，最后是确定整个磁路结构。电磁铁所使用的软磁材料应具有高的磁导率、高的饱和磁感应强度和低的矫顽力；静铁芯和衔铁的结构采用“大铁芯小衔铁的原那么；电磁阀的功率驱动采用双电压驱动等。电磁线圈的直径、热扩散系数，阻抗之间相互

14、关联，增加线圈直径可以减小电阻，但是随着线圈阻抗的降低，线圈的发热损耗会增加， 造成阀内温度升高，使得阀中油液粘性降低， 加剧了摩擦损耗。同时随着线圈直径的增大，线圈的始动安匝数也减小，电感也相应减小， 这样会影响到线圈其它性能参数 (如出力不够等等)。图2给出了导套和隔磁环的截面图，图中 D代表导套和隔磁环的厚度， D=0.22mm L代 表隔磁环长度，L=0.3mm, a和B分别为隔磁环和导套前、后端的倾角，a=0°,0 =48°, h和L分别是导套后端结构尺寸， h=3mm L=1.3mm。当然，比例技术也存在着明显的缺陷，主要是本钱较高，技术较复杂。这也正是比例阀没

15、有得到飞速 开展的原因，同时又是研究比例阀所要解决的问题。數字Ml介烦过魄柿度(U )2525525Q.5 H K0.5270.52控制功整0. 05-557(Hi)10厘卜£0-2005補环(%)=30. 10.50.5-10. 5"-1CO. L申俭死虚有有无Jl20fC'6tfC>2721103图47北为耐贏压宜流比倒电證铁的绪詢原理图。艮盛路由前竭盖扱靴竝工作气隙， 粒向可移和樁铁黑向井工作弋瞰，甘養，甘班外発匡劉前躺盖极KU尊套前后二厭由 导ta材料制嵐，屮间用一段非导輕材料焊按。闻段釆用轻过优化设计的带锥型端部和极 靴紅鈿 解成裟型扱秋，它的尺寸决

16、室了比例电雀铁的穂态特性曲线的形状°导套具有 足够的耐压强度，可辜赍越MPa静压力.内孔轻梢确加工，和衔恢外周闿低廖縣菲导耀材 料做成的一対支承环瞎锻轴向移动轴承副甘套和兜体z阀裝入岡心螺圾實式控制毂阖* 衔铁的前嚴装有推杆，用以输出力或位移。肩端裝脅由弹賞和调节#K】組威的调誓机购. 可在一定范围内对电硝铁的待性曲线进行谯整*通帘的比例电概铁当製圏电流给主时在 工作行程范围I内具有水平的位移力特性圈4-讥，但在气隊接近于零前区域输出力找Mr 耐爲压直醮比洌电童餓购站构和聲悻1 JXffrKK 一空 ff 理匿急剧上升，称为吸合区1，一般采用非导感材料的陨位垫片将其排瞳°而

17、当气際述大时, 辎出力明显下酵，辕为比例电遵钱的空行程区。7* F 0I图1博世伺服比例阀典型结构通世把魔據柞为液压元件的干就之一指的是库仑摩榮，产搭说来是指边界摩擦。 由于液压元件的滑动而之间具有极好地自润滑条件，设计时选择的间隙足以彩成一定强 度的油膜。因而在正常工况下液压元件内部以流体蹴擦和边界摩擦为主，相应地海滑状 态即为流挥润滑和边界润滑。屈于两考之间的为过渡摘滑°库仑摩擦的于扰作用表现为 控制元杵的植态特性具有死区和掃环，或表现为动态特性的不稳定因素。就怵摩療力由流体粘性引起，其大小取决于渍体的粘度、油膜压力的建立方式滑 动面的形状和大同隙油膜厚度以及滑动面的相对速度。在

18、抽承妁研究中，抽膜压力的建立方式分为两种"靠滑动面自身运动建立的称为动 压式，曲猿定油源供应的称为静压式*在液压元件的同陳特封姓*油濮乐力分布啓决于间陳两边的压罄及滑动面的几何特 性°宦差可囚是穂定或交变的*英方向可以是单向或双向的。一锻具有国定间涼，如桂 向间隙密封F也可是浮动何如采用浮动侧板的端面密封。对这类问题按照缝隙崇流 流动来分折.库仑摩擦引起的死区和滞环，可通过在控制信号上加颤振信号而加以消除.但是引 起死区或滯环的因索还有滑阀阀口的重叠量，机构松动配合或变胎引起的游晾，电磴元 件的磁滞等。颤掠信号对董叠曲和游诙不起作用，对一些电磁元件的磁滯也有影响。阀体设计国内外开展趋势是：从机理上争取采用平衡式受力，改良流道结构，改善流场分布方面 入手，优化节流口的形式，使节流阀的压力、流量控制更好地效劳于现场操作。在石油工业管道输送系统中，除了长直区段外，还大量存在几何形状不规那么的区段，这些区段内的流体一般都处于湍流状态，运动十分复