比例電磁鐵綜述-

1、1 .比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)原理比例電磁鐵結(jié)構(gòu)主要由銜鐵、導(dǎo)套、極靴、殼體、線圈、推桿等組成。其工作原理是:磁力線總是具有沿著磁阻最小的路徑閉合，并有力圖縮短磁通路徑以減小磁阻。圖1比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)動(dòng)子由兩種不同的材料組成，中間的是導(dǎo)磁材料（電磁純鐵一中間開(kāi)孔），左邊的推桿導(dǎo)磁，右邊的推桿非導(dǎo)磁。動(dòng)子由油布軸承支承，推桿用以輸出力。為了動(dòng)子可以左右運(yùn)動(dòng)，在左端右擋板，在右端裝有彈簧組成的調(diào)零機(jī)構(gòu)。導(dǎo)套前后兩段由導(dǎo)磁材料制成，中間用一段非導(dǎo)磁材料一隔磁環(huán)。導(dǎo)套前段和極靴組合，形成帶錐形端部的盆形極靴，導(dǎo)套和外筒間配置同心螺線管式控制線圈。外殼采用導(dǎo)磁材料，以形成磁回路。本電磁鐵中因?yàn)橛袑?dǎo)套中隔磁環(huán)的特

2、殊設(shè)計(jì)才有了輸出力是準(zhǔn)恒定的特性。圖2隔磁環(huán)（焊銅）在一定的位移范圍內(nèi)，動(dòng)子的輸出力為一準(zhǔn)恒定值。根據(jù)電磁鐵基本工作原理，在動(dòng)子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，磁阻會(huì)越來(lái)越小，動(dòng)子受力越來(lái)越大，不會(huì)出現(xiàn)輸出力恒定的情況，為了使電磁鐵能在一定位移內(nèi)輸出近視恒定的力，電磁鐵采用結(jié)構(gòu)的特殊一隔磁環(huán)就是使動(dòng)子輸出力恒定的原因。當(dāng)給比例電磁鐵控制線圈通入一定電流時(shí)，在線圈電流控制磁勢(shì)左右下，形成兩條磁路，一條磁路i由前端蓋經(jīng)盆形極靴底部沿軸向工作氣隙進(jìn)入銜鐵，穿過(guò)導(dǎo)套后段、導(dǎo)磁外殼回到前端蓋極靴，產(chǎn)生軸向力Fai；另一條磁路2經(jīng)盆形極靴錐形周邊（導(dǎo)套前段）徑向穿過(guò)工作氣隙，再進(jìn)入銜鐵，而后與i匯合形成附加軸向力Fa2,二者

3、綜合得到比例電磁鐵輸出力Fa相對(duì)于銜鐵位移的水平特性。1產(chǎn)生的端面力為:2產(chǎn)生的軸向附加力為:+、，”一小開(kāi)歹.圖4不同時(shí)刻電磁鐵內(nèi)部磁力線分布2 .比例電磁鐵的工作過(guò)程對(duì)工作中的電磁鐵來(lái)說(shuō)，在通電或斷電或一定電流（電壓）下動(dòng)子能快速準(zhǔn)確地到達(dá)指定位置，但實(shí)際上由于存在電感和動(dòng)子質(zhì)量，或負(fù)載的原因，使得動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程變得復(fù)雜。電磁閥吸合運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為兩個(gè)階段：吸合觸動(dòng)時(shí)間ti和吸合運(yùn)動(dòng)時(shí)間t2,tl是從線圈得到電壓起到電流按指數(shù)曲線增至吸合電流為止的過(guò)程，在此過(guò)程中銜鐵尚未運(yùn)動(dòng)，這段時(shí)間是由于電與磁的慣性引起的滯后時(shí)間，取決于電磁鐵的結(jié)構(gòu)、材料、線圈電壓、電感的大小和彈簧預(yù)緊力大?。贿M(jìn)入t2階

4、段后，吸力大于預(yù)緊力，銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，電流變化規(guī)律就比較復(fù)雜：由于工作氣隙在銜鐵運(yùn)動(dòng)過(guò)程中逐漸減小，使線圈電感逐漸增大并產(chǎn)生反電勢(shì)，它與線圈自感電勢(shì)一起，共同阻止線圈電流的增長(zhǎng)，致使線圈電流增大到一定程度后不僅不再增大，反而有減小趨勢(shì)，直到銜鐵閉合，工作氣隙不再變化，反電勢(shì)為零，電流按新的指數(shù)曲線上升至穩(wěn)態(tài)電流。這段時(shí)間取決于閥芯所受的各種阻力。對(duì)于電磁閥的釋放過(guò)程，如果忽略磁導(dǎo)體中渦流的影響，當(dāng)線圈信號(hào)切除后，電流立即降為零，銜鐵隨即開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，故其釋放觸動(dòng)時(shí)間接近于零，遠(yuǎn)較吸合觸動(dòng)時(shí)間短。圖6（不同電流下）比例電磁鐵的力一一位移曲線電磁力的大小為fm2oSg(N)2oS,與線圈匝數(shù)平方成正比，

5、與氣隙間隙平方成反比。在電磁閥其它結(jié)構(gòu)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)電流以及氣隙寬度大小相同時(shí)，線圈匝數(shù)越多，氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度就越強(qiáng)，則氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度也越大，電磁吸力也就越大。但實(shí)際上線圈匝數(shù)不是越多越好，隨著匝數(shù)的增加，會(huì)使線圈電感和線圈電阻增大，從而在銜鐵吸合初始階段限制了驅(qū)動(dòng)電流的迅速增大，在釋放過(guò)程中使電流衰減速度變慢。電磁閥氣隙寬度包括銜鐵工作行程和殘余間隙寬度兩個(gè)部分。當(dāng)銜鐵完全開(kāi)啟時(shí)，此時(shí)氣隙寬度等于銜鐵工作行程和殘余間隙寬度之和。當(dāng)銜鐵完全吸合時(shí)，氣隙寬度等于殘余間隙寬度。隨著氣隙寬度的增大，將使電磁吸力減小。銜鐵工作過(guò)程中，氣隙寬度減小，有利于電磁閥的打開(kāi)。在殘余間隙不變的前提下，如果銜鐵工作行程

6、增加，則在關(guān)閉過(guò)程和重新打開(kāi)過(guò)程的時(shí)間增加，電磁力增加速度平緩，電磁閥的動(dòng)態(tài)特性變差。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的形式及參數(shù)直接決定線圈電流波形，并極大地影響電磁閥的響應(yīng)速度。驅(qū)動(dòng)電壓為24V時(shí)，電磁閥響應(yīng)時(shí)間為0.4ms,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為48V時(shí)，電磁閥響應(yīng)時(shí)間為0.25ms,驅(qū)動(dòng)電壓的升高對(duì)電磁閥的響應(yīng)速度有著明顯的影響。不過(guò)，驅(qū)動(dòng)電壓從48V到100V之間，響應(yīng)時(shí)間的提高率為o.02ms/2OV,驅(qū)動(dòng)電壓從100V提高到120V,響應(yīng)時(shí)間縮減的幅度更小了，僅為0.01ms。理想電磁鐵理醫(yī)心-3跑艮也工L蚱眄同(b)比例電磁鐵i.niMi(c)開(kāi)關(guān)電磁鐵(d)非或性電磁鐵圖7不同電磁鐵工作特性曲線3 .比

7、例電磁鐵試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)系統(tǒng)主要由工業(yè)機(jī)、數(shù)據(jù)采集單元、輸出制單元、傳感器和比例閥測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)等組成。工控機(jī)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的主控機(jī)它通過(guò)人機(jī)界面接收用戶指令，并根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容選擇相應(yīng)的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理、顯示、打印和輸出指令信號(hào)控制比例閥測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)作。傳感器單元括三個(gè)壓力傳感器和兩個(gè)位移傳感器，負(fù)責(zé)將表征被測(cè)系統(tǒng)的物理量轉(zhuǎn)化為標(biāo)電信號(hào)，送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行顯示或處理。輸出控制單元包括4路數(shù)字量輸出1路模擬量輸出，負(fù)責(zé)將工控機(jī)的指令信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，最終控制比例閥驗(yàn)臺(tái)的執(zhí)行元件。圖8試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的組成圖9比例電磁鐵測(cè)試裝置4 .比例電磁鐵的材料電磁閥的鐵芯采用鐵磁性材料，不同的鐵磁性材料具有不

8、同的磁化曲線，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系為B=H,它對(duì)電磁閥的性能產(chǎn)生重大的影響，因此必須根據(jù)電磁閥的設(shè)計(jì)與性能要求進(jìn)行合理的選擇。表1和表2列出一些常用軟磁材料的主要特點(diǎn)、應(yīng)用范圍和主要性能參數(shù)。比較和分析這些參數(shù)，電工純鐵的極限磁感應(yīng)強(qiáng)度很高，磁化曲線在寬廣的范圍內(nèi)具有較高的磁導(dǎo)率，并且該材料的冷加工性能良好，價(jià)格適中，所以應(yīng)選用鐵芯材料為電工純鐵的電磁閥用于電控泵一管一閥一嘴燃油噴射系統(tǒng)中。電磁閥的錐閥閥芯部分山于在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中閥芯錐形頭部不斷撞擊閥體，因此可考慮錐閥閥芯的主體部分采用電工純鐵，而閥體頭部選用硬度高，耐磨性好，抗振動(dòng)沖擊性能好的材料，如鐵鋁合金。具有高飽和磁通密度和高

9、電阻率的材料非常適合用于制造高速電磁閥。高飽和磁通密度意味著材料能將更多的電能轉(zhuǎn)化為磁能，而高電阻率則意味著渦流損失更小，磁場(chǎng)滲透速度更快，電能轉(zhuǎn)化為磁能的速度越快。另外，矯頑磁力對(duì)響應(yīng)速度的影響并不明顯，原因在于由于用強(qiáng)電能激勵(lì)，產(chǎn)生強(qiáng)的外部磁場(chǎng)使磁材料迅速飽和，相較于外部表1軟磁材料的品種、主要特點(diǎn)及應(yīng)用范圍午粵特點(diǎn)應(yīng)用范出,I通工用純?nèi)换虻推齐姽ぶ菩忧虻跸?:口，收的.反高低2.15T).聲不大*H不太小,電阻率把,冷加工“能好一股用于完流出系統(tǒng)r10號(hào)用的秋號(hào)能和電工用4蟆善不一,能鑲“M，4很高*1良小.現(xiàn)不高,歸格才,逋件於班機(jī)械應(yīng)力班普鬲糧感植樂(lè)統(tǒng).X梅場(chǎng)、，件的跑系境、碓放丈器

10、課鋁合愈電型*窟，比再小.口不太大.M很小，博府扃，博國(guó)拄好抗撮動(dòng)沖擊性能好可以代替某普帙出臺(tái)會(huì)收行物力咋作電機(jī)及維電器酢綱片E,較高，電阻率高,除期4s導(dǎo)颯t校方.使度科，噸性增大交流生系統(tǒng)快站臺(tái)金禮特別鬲f詁？TT1.居亨息昌.(達(dá)980七，電阻率布高.伯格銀話育做直童較*體朋小，耐高溫的帆空展空同兀坤軟磁鐵到體：煤蚌及話悴力復(fù)合氧化厥西體，電闞率描胃.虬悵,藤電穩(wěn)定性離廝及較高棘幾T林到幾白拉)用電碓元料表2軟磁材料的主要性能參數(shù)材洱&八H(A/10AiKl涮.抑電工她故2/4:,Q-L4100D423.56【口號(hào)輛2.130.gL32-3注璃合金1JM.L50o.h10-11Z575快

11、柒合金】仲0.75I2小.1琬j順飲媒合今1J6J3.50-1.50S2-153T帙像會(huì)金打%0.65-Q75162.4418WIOD他一研的耳心？I.V4Q5r氏設(shè)0.47.S-鞏0冷一硅銅片Q42,0012-310,7lfi-33皓吉堂1j2.%I.3F.4)20-l稀0.74.5k5W1材料瓦/T戶KT密度/(R，5代it1用號(hào)。刈10J1匕晦770to弓弼0.75L成77。鐵律合金IJriO0.R7*50獷即日附鈦慢件金IJ普0.425.6-00160制帙鋒含金1J670L20730鐵鍍令奇ijie14(17閔6,5U40。M札曾瑞片)110.60.E鬲72工福-1-7WSfHHffl

12、中第0.7S18557,70的H740軟帖告金u黑1J0劈隊(duì)即騎5 .電磁閥設(shè)計(jì)方法電液比例閥是介于普通液壓閥和電液伺服閥之間的一種液壓閥，它可以接受電信號(hào)的指令，連續(xù)成比例地控制系統(tǒng)的壓力、流量等參數(shù)，使之與輸入電信號(hào)成比例的變化。電液比例閥多用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓參數(shù)的遙控，也可作為信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大元件用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。與手動(dòng)調(diào)節(jié)和通斷控制的普通液壓閥相比，它能大大提高液壓系統(tǒng)的控制水平；與電液伺服閥相比，雖然它的動(dòng)靜態(tài)性能有些遜色，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，已能滿足多數(shù)對(duì)動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)要求不很高的場(chǎng)合。大多數(shù)比例閥的頻寬為(550)Hz范圍，而超高速比例閥達(dá)到300450Hz滯環(huán)誤差多在1%7%

13、間。設(shè)計(jì)電磁鐵的一般步驟：首先根據(jù)電磁吸力的要求及銜鐵結(jié)構(gòu)形式估算銜鐵直徑，然后估算線圈的外徑及長(zhǎng)度、確定線圈的匝數(shù)、磁勢(shì)等，最后是確定整個(gè)磁路結(jié)構(gòu)。電磁鐵所使用的軟磁材料應(yīng)具有高的磁導(dǎo)率、高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和低的矯頑力；靜鐵芯和銜鐵的結(jié)構(gòu)采用“大鐵芯小銜鐵”的原則；電磁閥的功率驅(qū)動(dòng)采用雙電壓驅(qū)動(dòng)等。電磁線圈的直徑、熱擴(kuò)散系數(shù)，阻抗之間相互關(guān)聯(lián)，增加線圈直徑可以減小電阻，但是隨著線圈阻抗的降低，線圈的發(fā)熱損耗會(huì)增加，造成閥內(nèi)溫度升高，使得閥中油液粘性降低，加劇了摩擦損耗。同時(shí)隨著線圈直徑的增大，線圈的始動(dòng)安匝數(shù)也減小，電感也相應(yīng)減小，這樣會(huì)影響到線圈其它性能參數(shù)(如出力不夠等等)。圖2給出了導(dǎo)

14、套和隔磁環(huán)的截面圖，圖中D代表導(dǎo)套和隔磁環(huán)的厚度，D=0.22mmL代表隔磁環(huán)長(zhǎng)度，L=0.3mm,a和。分別為隔磁環(huán)和導(dǎo)套前、后端的傾角，a=0,0=48,h和L分別是導(dǎo)套后端結(jié)構(gòu)尺寸，h=3mmL=1.3mni當(dāng)然，比例技術(shù)也存在著明顯的缺陷，主要是成本較高，技術(shù)較復(fù)雜。這也正是比例閥沒(méi)有得到飛速發(fā)展的原因，同時(shí)又是研究比例閥所要解決的問(wèn)題。開(kāi)會(huì)閾比例閾收字閥介相過(guò)裱制度U)膜25525曾內(nèi)塞方強(qiáng)失(HPa)0.5F05-27控制地辜*)15T01050.05TS-IQtilt)10以卜20-2005滯環(huán)%)30.1-0.5爸況制度一1n5-82-32色精比13-5103圖4-3為耐高壓直

15、流比例電磁帙的結(jié)溝原理圖。其磁路由前嚕蓋極靴短工作氣源，軸向可#動(dòng)布快.神附業(yè)工作氣版，那套n8罡外浣回到前端蓋極低。導(dǎo)套前后二段由導(dǎo)磁材料制成，中間用一段非守段材料焊接.前段聚用經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的帶錐型端部和極靴組合.形成叁型極低它的尺寸決定了比例電磁鐵的福態(tài)特性曲線的形狀口導(dǎo)套具有足然的耐壓強(qiáng)度，可承受海MPa靜壓力，內(nèi)孔經(jīng)精確加工，加播帙外周用低摩擦非導(dǎo)磴材料做成的一對(duì)支承坤形成軸向移動(dòng)軸承制，身套和究體之間裝入同心螺纏管式控制故閾.衙鐵的前崩裝有推桿，用以揪出力或位移.用端裝宥由彈簧和調(diào)節(jié)螺初生成的調(diào)零機(jī)的.可在一定范圍內(nèi)對(duì)電磁鐵的特性曲畿進(jìn)行網(wǎng)強(qiáng)。通常的比例電讖鐵當(dāng)線固電波給定時(shí)在工作行

16、程孤圍I內(nèi)具有水平的位移力特性（圖4Tb）,但在氣隙接近于零的區(qū)域輸出力用什！耐高理直施比例電磁耕的婚構(gòu)和綺性1曖合K一工作行區(qū)區(qū).一空行夜區(qū)急劇上升，稱為吸合區(qū)I,一般架用非導(dǎo)盛材料的限位墊片將其排除。而當(dāng)氣隙過(guò)大時(shí),軸出力明顯下降，稱為比例電施鐵的空行程區(qū).TAF總圖1博世伺服比例閥典型結(jié)構(gòu)通常把摩援作為液壓元件的干擾輯之一，指的是庫(kù)侖摩擦，產(chǎn)搞說(shuō)來(lái)是指邊界摩擦。由于液壓元件的滑動(dòng)而之間具有極好地自潤(rùn)滑條忤，設(shè)計(jì)時(shí)選擇的間隙足以形成一定強(qiáng)度的油膜。因而在正常工況下液壓元件內(nèi)部以流體摩擦和邊界摩擦為主，相應(yīng)地潤(rùn)滑狀態(tài)即為流體潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑0居于兩者之間的為過(guò)渡潤(rùn)滑。庠侖摩擦的干擾作用表現(xiàn)為控

17、制元件的穩(wěn)態(tài)特性具有死區(qū)和滯環(huán)，或表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)特性的不穩(wěn)定因素。流體摩揀力由流體粘性引起，其大小取決于流體的粘身、油膜壓力的建立方式、滑動(dòng)面的形狀和大小、間隙（油膜厚度）以及滑動(dòng)面的相對(duì)速度。在軸承的研究中，油膜壓力的建立方式分為兩種?？炕瑒?dòng)而自身運(yùn)動(dòng)建立的稱為動(dòng)壓式，由穩(wěn)定油源供給的稱為靜壓式。在液壓元件的間隙格封處.油膜樂(lè)力分布取決于同隙兩邊的壓差及滑動(dòng)面的幾何特性。壓差可以是穩(wěn)定或交變的，其方向可以是單向或雙向的。一般具有固定間隙，如在向間隙密封，也可是浮動(dòng)何糠，如采用浮動(dòng)健板的端面容封。對(duì)這類問(wèn)題按照縫隙層流流動(dòng)來(lái)分析.,庫(kù)侖摩擦引起的死區(qū)和滯環(huán)，可通過(guò)在控制信號(hào)上加耨振信號(hào)而加以消除。

18、但是現(xiàn)起死區(qū)或滯環(huán)的因素還有滑網(wǎng)閥口的重疊量，機(jī)構(gòu)松動(dòng)配合或變形引起的游隙，電磁元件的磁滯等。握信號(hào)對(duì)重疊量和游隙不起作用，對(duì)一些電磁元件的薇滯也有影響。閥體設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)是：從機(jī)理上爭(zhēng)取采用平衡式受力，改進(jìn)流道結(jié)構(gòu)，改善流場(chǎng)分布方面入手，優(yōu)化節(jié)流口的形式，使節(jié)流閥的壓力、流量控制更好地服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)操作。在石油工業(yè)管道輸送系統(tǒng)中，除了長(zhǎng)直區(qū)段外，還大量存在幾何形狀不規(guī)則的區(qū)段，這些區(qū)段內(nèi)的流體一般都處于湍流狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，如流體在彎管、非圓管、突然縮小、突然擴(kuò)大的管道真實(shí)流動(dòng)，情況更為復(fù)雜，在那里可能出現(xiàn)如圖21、圖22所示的脫體流動(dòng)、二次流；形成旋渦，造成局部障礙及損失。這些漩渦的發(fā)生和發(fā)展對(duì)邊界幾何形狀有著強(qiáng)烈的依賴性，其形狀和強(qiáng)度因流道的不同而不同，是非均勻和高度各項(xiàng)異性的。其中大渦對(duì)平均運(yùn)動(dòng)有強(qiáng)烈的影響，大部分質(zhì)量、動(dòng)量和能量的輸運(yùn)都是大渦引起的；二次渦的大小、位置及發(fā)生的頻率會(huì)對(duì)流動(dòng)系統(tǒng)的阻力、能量損失產(chǎn)生重大的作用。流量系數(shù)值越大說(shuō)明流體流過(guò)閥門時(shí)的壓力損失越小。流量系數(shù)隨閥門尺寸、型式、結(jié)構(gòu)而變。對(duì)于同樣結(jié)構(gòu)的閥門，流體流過(guò)閥門的