比例電磁閥電磁設(shè)計(jì)流程

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，如圖1。圖1 比例電磁鐵的剖面圖普通電磁鐵就是一個開關(guān)量，不是開就是關(guān)，關(guān)的時候開口最小，開的時候開口最大，沒有辦法調(diào)節(jié)；比例電磁鐵是根據(jù)給定電流的大小決定閥開口的大小，是一個連續(xù)的過程。比例電磁鐵和普通的電磁鐵區(qū)別就是比例電磁鐵是普通電磁鐵加一個彈簧，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)，所以比例電磁鐵必須具有水平吸力特性，即在工作區(qū)內(nèi)，其輸出力的大小只與電流有關(guān)，與銜鐵位移無關(guān)。若電磁鐵的吸力不顯水平特性

2、，彈簧曲線與電磁力曲線族只有有限的幾個交點(diǎn)，這意味著不能進(jìn)行有效的位移控制。在工作范圍內(nèi)，不與彈簧曲線相交的各電磁力曲線中，對應(yīng)的電流在彈簧曲線以下，不會引起銜鐵位移；在彈簧曲線以上時，若輸出這樣的電流，電磁力將超過彈簧力，將銜鐵一直拉到極限位置為止。相反，若電磁鐵具有水平特性，那么在同樣的彈簧曲線下，將與電磁力曲線族產(chǎn)生許多交點(diǎn)。在這些交點(diǎn)上，彈簧力與電磁力相等，就是說，逐漸加大輸入電流時，銜鐵能連續(xù)地停留在各個位置上。圖2 比例電磁鐵的電流-力-行程關(guān)系比例電磁鐵要求在一定的位移范圍內(nèi)，銜鐵的輸出力為一準(zhǔn)恒定值，如圖2所示。根據(jù)電磁鐵基本工作原理，在銜鐵運(yùn)動過程中，磁阻會越來越小，銜鐵受力

3、越來越大，不會出現(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)。隔磁環(huán)采用非導(dǎo)磁材料通常為黃銅，嵌在前后導(dǎo)套的中間，減少電磁鐵即將閉合時急劇增大的電磁力，使整個電磁力變的平穩(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控制線圈。外殼采用導(dǎo)磁材料，以形成磁回路。同時為了銜鐵可以左右運(yùn)動，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)給比例電磁鐵控制線圈通入一定電流時，在線圈電流控制磁勢左右下，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、

4、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，而后與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)上采用非導(dǎo)磁材料限位片將其排除；當(dāng)工作氣隙過大時，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，但有時是需要的；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

5、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，與線圈匝數(shù)平方成正比，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)動電流以及氣隙寬度大小相同時，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部分。當(dāng)銜鐵完全開啟時，此時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，氣

6、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間增加，電磁力增加速度平緩，電磁閥的動態(tài)特性變差。驅(qū)動電路的形式及參數(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)動電壓為24V時，電磁閥響應(yīng)時間為0.4ms，當(dāng)驅(qū)動電壓為48V時，電磁閥響應(yīng)時間為0.25ms，驅(qū)動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)動電壓從48V到100V之間，響應(yīng)時間的提高率為o.02ms/2OV，驅(qū)動電壓從100V提高到120V，響應(yīng)時間縮減的幅度更小了，僅為

7、0.01ms。3. 比例電磁鐵的控制比例閥是由計(jì)算機(jī)，放大器，比例電磁鐵，錐度臺階的閥芯，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)成的一個完整的體系。精確控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移，最好的辦法是用比例流量閥。比例方向閥只能起到節(jié)流閥作用，當(dāng)負(fù)載壓力變化時流量會變化，而比例流量閥的流量不遂負(fù)載壓力變化，開口調(diào)定好流量基本不變化?，F(xiàn)在的比例換向閥用的都是電-液比例復(fù)合控制。首先，比例閥必須有一個配套的放大器，它接受來自于計(jì)算機(jī)或者PLC，或者電位器（滑動變阻器）的控制信號，把0-20毫安微弱的信號放大到0-800毫安。然后，放大器把放大的信號傳送到電磁閥，電磁閥依據(jù)傳來

8、的信號大小，克服彈簧力，調(diào)節(jié)推桿的行程，壓力隨信號變化的控制油。再后，控制油到達(dá)主閥芯的兩端，依據(jù)不同的壓力，推動閥芯移動相應(yīng)的行程，因?yàn)殚y芯本身有錐度的臺階與閥體組合，不同的行程得到不同的過流面積，再入口壓力穩(wěn)定的情況下，得到不同的流量，最終實(shí)現(xiàn)比例功能?？刂票壤y的比例放大器具有深度電流負(fù)反饋的電子控制放大器，其輸出電流和輸入電壓成正比，采用直流穩(wěn)壓源，利用PWM斬波控制技術(shù)調(diào)整輸入電壓。比例放大器一般都帶有顫振信號發(fā)生器和零區(qū)電流跳躍等功能。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

9、是確定整個磁路結(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=70。4.2 結(jié)構(gòu)形式整體采用濕式結(jié)構(gòu)，如圖5所示，電磁鐵的導(dǎo)套是一個密封筒狀結(jié)構(gòu)，可以承受一定的液壓力，銜鐵上開有兩個導(dǎo)油孔，工作時處于油液潤滑狀態(tài)，具有一定阻尼作用而減少了沖擊和噪聲。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，可靠性好，效率高，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。4.3 材料選擇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。由于該比例電磁鐵才用濕式結(jié)構(gòu)，各主要元件與液壓油直接接觸，因此，所選用材

10、料除了具有良好的導(dǎo)磁性外，還應(yīng)有良好的耐腐蝕性。根據(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、端蓋均采用耐腐蝕軟磁合金材料，隔磁環(huán)采用黃銅，調(diào)節(jié)彈簧采用奧氏體不銹鋼。圖5 Rexroth 4WAR6E 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)采用“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)時閥芯受液壓卡緊力大于負(fù)載快進(jìn)時所受的卡緊力，復(fù)位彈簧的預(yù)緊力必須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)動可靠，電磁鐵最大推力Ft

11、max應(yīng)大于最大彈簧彈力、最大液壓卡緊力、最大液動力和摩擦力之和，選取負(fù)載快進(jìn)時閥芯的受力情況來計(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。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。同時隨著線圈直徑的增大，線圈的始動安匝數(shù)也減小，電感也相應(yīng)減小，這樣會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，按一般控制理論的定義，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（控制特性），電流從零到最大、以及從最大回到零一個變化周期中，上升電流與下降電流相等點(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)。在做電磁鐵控制特性滯環(huán)、線性度時，是在電磁鐵一定位移下測量輸出力與輸入電流的關(guān)系。不同電磁鐵位移，會有所差異。隔磁環(huán)專業(yè)名叫分磁環(huán)，只有