比例電磁鐵綜述-完整版

1 比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)原理比例電磁鐵的結(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 中間開孔 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 隔磁環(huán)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)過程中 磁阻會(huì)越來越小 動(dòng)子受力越來越大 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 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左右下 形成兩條磁 路 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 1 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 1a F 2 徑向穿過工作氣隙 再進(jìn)入銜鐵 而后與匯合形成附加軸向力 二者綜合得到比例 1 2a F 電磁鐵輸出力相對于銜鐵位移的水平特性 a F 圖 3 比例電磁鐵的磁路分布 產(chǎn)生的端面力為 1 產(chǎn)生的軸向附加力為 2 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程比例電磁鐵的工作過程 對工作中的電磁鐵來說 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)過程變得復(fù) 雜 電磁閥吸合運(yùn)動(dòng)過程可分為兩個(gè)階段 吸合觸動(dòng)時(shí)間 t1和吸合運(yùn)動(dòng)時(shí)間 t2 t1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程 在此過程中銜鐵尚未運(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)緊力大小 進(jìn)入 t2階段后 吸力大于預(yù)緊力 銜鐵開始運(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)過程中逐漸減小 使線圈電感逐漸增大并產(chǎn)生反電 勢 它與線圈自感電勢一起 共同阻止線圈電流的增長 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 直到銜鐵閉合 工作氣隙不再變化 反電勢為零 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 對于電磁閥的釋 放過程 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 5 電磁鐵的電流曲線 圖 6 不同電流下 比例電磁鐵的力 位移曲線 電磁力的大小為 與線圈匝數(shù)平方成正比 與氣隙間隙平S Ni S FM 0 2 0 2 2 1 2 1 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 如果銜鐵工作行程增加 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 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 圖 7 不同電磁鐵工作特性曲線 3 比例電磁鐵試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)比例電磁鐵試驗(yàn)臺(tái)測控系統(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 傳感器和比例閥測試試驗(yàn)臺(tái)等組成 工控機(jī)是整個(gè)測試系統(tǒng)的主控機(jī)它通過人機(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)測控系統(tǒng)的組成 圖 9 比例電磁鐵測試裝置 4 比例電磁鐵的材料比例電磁鐵的材料 電磁閥的鐵芯采用鐵磁性材料 不同的鐵磁性材料具有不同的磁化曲線 其磁感應(yīng)強(qiáng) 度 B 與磁場強(qiáng)度 H 的關(guān)系為 B H 它對電磁閥的性能產(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 表 2 軟磁材料的主要性能參數(shù) 5 電磁閥設(shè)計(jì)方法電磁閥設(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 液比例閥多用于開環(huán)系統(tǒng)中 實(shí)現(xiàn)對液壓參數(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)簡單 成本低 已能滿足 多數(shù)對動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)要求不很高的場合 大多數(shù)比例閥的頻寬為 5 50 Hz 范圍 而超高速比 例閥達(dá)到 300 450Hz 滯環(huán)誤差多在 1 7 之間 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度 確定線圈的匝數(shù) 磁勢等 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)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 分別為隔磁環(huán)和導(dǎo)套前 后端的傾角 a 0 48 h 和 L 分別是導(dǎo)套后端結(jié)構(gòu)尺寸 h 3mm L 1 3mm 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題 圖 1 博世伺服比例閥典型結(jié)構(gòu) 閥體設(shè)計(jì)閥體設(shè)計(jì) 國內(nèi)外發(fā)展趨勢是 從機(jī)理上爭取采用平衡式受力 改進(jìn)流道結(jié)構(gòu) 改善流場分布方面 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)場操作 在石油工業(yè)管道輸送系統(tǒng)中 除了長直區(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 2 一 1 圖 2 一 2 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)值越大說明流體流過閥門時(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 對于同樣結(jié)構(gòu)的閥門 流體流過閥門的方向不同 流量系數(shù)值也有變化 這種 變化一般是由于壓力恢復(fù)不同而造成的 對于圖 2 一 3 所示的高壓錐閥 IZvl 當(dāng)流體的流 動(dòng)使閥門趨于關(guān)閉時(shí)的流量系數(shù)較高 因?yàn)榇藭r(shí)閥座的擴(kuò)散錐