比例電磁閥電磁設(shè)計(jì)流程

/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，如圖1。圖1比例電磁鐵的剖面圖一般電磁鐵就是一個(gè)開關(guān)量，不是開就是關(guān)，關(guān)的時(shí)候開口最小，開的時(shí)候開口最大，沒有方法調(diào)整；比例電磁鐵是依據(jù)給定電流的大小確定閥開口的大小，是一個(gè)連續(xù)的過程。比例電磁鐵和一般的電磁鐵區(qū)分就是比例電磁鐵是一般電磁鐵加一個(gè)彈簧，可以使比例電磁鐵輸出的力和電流成比例關(guān)系，和位移無關(guān)，所以比例電磁鐵必需具有水平吸力特性，即在工作區(qū)內(nèi)，其輸出力的大小只和電流有關(guān)，和銜鐵位移無關(guān)。若電磁鐵的吸力不顯水平特性，彈簧曲線和電磁力曲線族只有有限的幾個(gè)交點(diǎn)，這意味著不能進(jìn)行有效的位移限制。在工作范圍內(nèi)，不和彈簧曲線相交的各電磁力曲線中，對(duì)應(yīng)的電流在彈簧曲線以下，不會(huì)引起銜鐵位移；在彈簧曲線以上時(shí)，若輸出這樣的電流，電磁力將超過彈簧力，將銜鐵始終拉到極限位置為止。相反，若電磁鐵具有水平特性，那么在同樣的彈簧曲線下，將和電磁力曲線族產(chǎn)生許多交點(diǎn)。在這些交點(diǎn)上，彈簧力和電磁力相等，就是說，慢慢加大輸入電流時(shí)，銜鐵能連續(xù)地停留在各個(gè)位置上。圖2比例電磁鐵的電流-力-行程關(guān)系比例電磁鐵要求在確定的位移范圍內(nèi)，銜鐵的輸出力為一準(zhǔn)恒定值，如圖2所示。依據(jù)電磁鐵基本工作原理，在銜鐵運(yùn)動(dòng)過程中，磁阻會(huì)越來越小，銜鐵受力越來越大，不會(huì)出現(xiàn)輸出力恒定的狀況，為了使電磁鐵能在確定位移內(nèi)輸出近視恒定的力，電磁鐵接受結(jié)構(gòu)的特殊—隔磁環(huán)。隔磁環(huán)接受非導(dǎo)磁材料——通常為黃銅，嵌在前后導(dǎo)套的中間，削減電磁鐵即將閉合時(shí)急劇增大的電磁力，使整個(gè)電磁力變的平穩(wěn)。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限制線圈。外殼接受導(dǎo)磁材料，以形成磁回路。同時(shí)為了銜鐵可以左右運(yùn)動(dòng)，在左端有擋板，在右端裝有彈簧組成的調(diào)零機(jī)構(gòu)。2.比例電磁鐵的特性2.1電磁力當(dāng)給比例電磁鐵限制線圈通入確定電流時(shí)，在線圈電流限制磁勢(shì)左右下，形成兩條磁路，如圖3所示，一條磁路由前端蓋經(jīng)盆形極靴底部沿軸向工作氣隙進(jìn)入銜鐵，穿過導(dǎo)套后段、導(dǎo)磁外殼回到前端蓋極靴，產(chǎn)生軸向力；另一條磁路經(jīng)盆形極靴錐形周邊（導(dǎo)套前段）徑向穿過工作氣隙，再進(jìn)入銜鐵，而后和匯合形成附加軸向力，二者綜合得到比例電磁鐵輸出力，如圖2所示電流-力-行程特性，在比例電磁鐵銜鐵的整個(gè)行程區(qū)內(nèi)，電磁力特性并不全是水平曲線，可將其分為3個(gè)區(qū)域。在工作氣隙接近于零的區(qū)域，輸出力急劇上升，稱為吸合區(qū)，比例電磁鐵在這一區(qū)域不能正常工作，一般在結(jié)構(gòu)上接受非導(dǎo)磁材料限位片將其解除；當(dāng)工作氣隙過大時(shí)，電磁鐵輸出力明顯下降，這一區(qū)域稱為空行程區(qū)域，這一區(qū)域電磁鐵雖然也不能正常工作，但有時(shí)是須要的；在吸合區(qū)和空行程區(qū)之間的區(qū)域，具有近似的水平力-位移特性，這一區(qū)域稱為工作區(qū)。圖3比例電磁鐵的磁路分布產(chǎn)生的端面力為：產(chǎn)生的軸向附加力為：圖4不同位置電磁鐵內(nèi)部磁力線分布2.2影響電磁力的因素電磁力的大小為，和線圈匝數(shù)平方成正比，和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。但事實(shí)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)電流的快速增大，在釋放過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。銜鐵工作過程中，氣隙寬度減小，有利于電磁閥的打開。在殘余間隙不變的前提下，假如銜鐵工作行程增加，則在關(guān)閉過程和重新打開過程的時(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。驅(qū)動(dòng)電路的形式及參數(shù)干脆確定線圈電流波形，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)電壓的上升對(duì)電磁閥的響應(yīng)速度有著明顯的影響。不過，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。3.比例電磁鐵的限制比例閥是由計(jì)算機(jī)，放大器，比例電磁鐵，錐度臺(tái)階的閥芯，入口壓力補(bǔ)償閥（單聯(lián)可以不要），梭閥，內(nèi)置卸荷閥（把多余的流量送回油箱）等構(gòu)成的一個(gè)完整的體系。精確限制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移，最好的方法是用比例流量閥。比例方向閥只能起到節(jié)流閥作用，當(dāng)負(fù)載壓力變更時(shí)流量會(huì)變更，而比例流量閥的流量不遂負(fù)載壓力變更，開口調(diào)定好流量基本不變更?，F(xiàn)在的比例換向閥用的都是電-液比例復(fù)合限制。首先，比例閥必需有一個(gè)配套的放大器，它接受來自于計(jì)算機(jī)或者PLC，或者電位器（滑動(dòng)變阻器）的限制信號(hào)，把0-20毫安微弱的信號(hào)放大到0-800毫安。然后，放大器把放大的信號(hào)傳送到電磁閥，電磁閥依據(jù)傳來的信號(hào)大小，克服彈簧力，調(diào)整推桿的行程，壓力隨信號(hào)變更的限制油。再后，限制油到達(dá)主閥芯的兩端，依據(jù)不同的壓力，推動(dòng)閥芯移動(dòng)相應(yīng)的行程，因?yàn)殚y芯本身有錐度的臺(tái)階和閥體組合，不同的行程得到不同的過流面積，再入口壓力穩(wěn)定的狀況下，得到不同的流量，最終實(shí)現(xiàn)比例功能。限制比例閥的比例放大器具有深度電流負(fù)反饋的電子限制放大器，其輸出電流和輸入電壓成正比，接受直流穩(wěn)壓源，利用PWM斬波限制技術(shù)調(diào)整輸入電壓。比例放大器一般都帶有顫振信號(hào)發(fā)生器和零區(qū)電流跳動(dòng)等功能。4.比例電磁鐵的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)電磁鐵的一般步驟：首先依據(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度、確定線圈的匝數(shù)、磁勢(shì)等，最終是確定整個(gè)磁路結(jié)構(gòu)。4.1設(shè)計(jì)要求最大電磁吸力Fmax=80N，初始?xì)庀?mm，銜鐵的推桿直徑2.9mm，線圈兩端的電壓24VDC，線圈允許溫升[θ]=70℃。4.2結(jié)構(gòu)形式整體接受濕式結(jié)構(gòu)，如圖5所示，電磁鐵的導(dǎo)套是一個(gè)密封筒狀結(jié)構(gòu)，可以承受確定的液壓力，銜鐵上開有兩個(gè)導(dǎo)油孔，工作時(shí)處于油液潤滑狀態(tài)，具有確定阻尼作用而削減了沖擊和噪聲。線圈和外殼處于干的狀態(tài)，可以分別拆卸。濕式電磁鐵具有吸合聲音小，散熱快，牢靠性好，效率高，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。4.3材料選擇電磁鐵所運(yùn)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。由于該比例電磁鐵才用濕式結(jié)構(gòu)，各主要元件和液壓油干脆接觸，因此，所選用材料除了具有良好的導(dǎo)磁性外，還應(yīng)有良好的耐腐蝕性。依據(jù)磁路走向及電磁鐵結(jié)構(gòu)布置，銜鐵、前后導(dǎo)套、線圈外殼、端蓋均接受耐腐蝕軟磁合金材料，隔磁環(huán)接受黃銅，調(diào)整彈簧接受奧氏體不銹鋼。圖5Rexroth4WAR6E比例電磁鐵剖面圖4.4幾何尺寸計(jì)算靜鐵芯和銜鐵的結(jié)構(gòu)接受“大鐵芯小銜鐵”的原則；復(fù)位彈簧設(shè)計(jì)由于負(fù)載工進(jìn)時(shí)閥芯受液壓卡緊力大于負(fù)載快進(jìn)時(shí)所受的卡緊力，復(fù)位彈簧的預(yù)緊力必需要保證能克服最大卡緊力使銜鐵復(fù)位。設(shè)計(jì)預(yù)緊力為F0=18N，初取彈簧剛度k=10N/m，則最大彈力為FMax=48N。材料選用奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti。4.4.2銜鐵設(shè)計(jì)為了使閥芯運(yùn)動(dòng)牢靠，電磁鐵最大推力Ftmax應(yīng)大于最大彈簧彈力、最大液壓卡緊力、最大液動(dòng)力和摩擦力之和，選取負(fù)載快進(jìn)時(shí)閥芯的受力狀況來計(jì)算，得Ftmax=80N。導(dǎo)套設(shè)計(jì)銜鐵設(shè)計(jì)線圈設(shè)計(jì)圖3給出了導(dǎo)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=0.22mm，L代表隔磁環(huán)長度，L=0.3mm，a和θ分別為隔磁環(huán)和導(dǎo)套前、后端的傾角，a=0°，θ=48°，h和L分別是導(dǎo)套后端結(jié)構(gòu)尺寸，h=3mm，L=1.3mm。圖3隔磁環(huán)（焊銅）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)溫度上升，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)。線性度、滯環(huán)的定義，按一般限制理論的定義，例如滯環(huán)大體就是在輸入電流為橫坐標(biāo)、輸出電磁力為縱坐標(biāo)的圖面上（限制特性），電流從零到最大、以及從最大回到零一個(gè)變更周期中，上升電流和下降電流相等點(diǎn)上輸出電磁力的最大差值，除以最大輸出力之值的百分?jǐn)?shù)。在做電磁鐵限制特性滯環(huán)、線性度時(shí)，是在電磁鐵確定位移下測量輸出力和輸入電流的關(guān)系。不同電磁鐵位移，會(huì)有所差異。隔磁環(huán)專業(yè)名叫分磁環(huán)，只有