比例電磁鐵綜述

1、1.比例電磁鐵的結構原理比例電磁鐵結構主要由銜鐵、導套、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比例電磁鐵的結構動子由兩種不同的材料組成，中間的是導磁材料（電磁純鐵一中間開孔），左邊的推桿導磁，右邊的推桿非導磁。動子由油布軸承支承，推桿用以輸出力。為了動子可以左右運動，在左端右擋板，在右端裝有彈簧組成的調零機構。導套前后兩段由導磁材料制成，中間用一段非導磁材料一隔磁環(huán)。導套前段和極靴組合，形成帶錐形端部的盆形極靴，導套和外筒間配置同心螺線管式控制線圈。外殼采用導磁材料，以形成磁回路。本電磁鐵中因為有導套中隔磁環(huán)的特殊

2、設計才有了輸出力是準恒定的特性。圖2隔磁環(huán)（焊銅）在一定的位移范圍內(nèi)，動子的輸出力為一準恒定值。根據(jù)電磁鐵基本工作原理，在動子運動過程中，磁阻會越來越小，動子受力越來越大，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，電磁鐵采用結構的特殊一隔磁環(huán)就是使動子輸出力恒定的原因。當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，一條磁路由由前端蓋經(jīng)盆形極靴底部沿軸向工作氣隙進入銜鐵，穿過導套后段、導磁外殼回到前端蓋極靴，產(chǎn)生軸向力Fai；另一條磁路外經(jīng)盆形極靴錐形周邊（導套前段）徑向穿過工作氣隙，再進入銜鐵，而后與可匯合形成附加軸向力Fa2,二者綜

3、合得到比例電磁鐵輸出力Fa相對于銜鐵位移的水平特性。*1產(chǎn)生的端面力為：Fm產(chǎn)網(wǎng)+獷，幣號*2產(chǎn)生的軸向附加力為：圖6 （不同電流下）比例電磁鐵的力一一位移曲線略磁導體中渦流的影響， 當線圈信號切除后, 放觸動時間接近于零，遠較吸合觸動時間短。電流立即降為零，銜鐵隨即開始運動，故其釋圖5電磁鐵的電流曲線圖4不同時刻電磁鐵內(nèi)部磁力線分布2 .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）下動子能快速準確地到達指定位置，但實際上由于存在電感和動子質量，或負載的原因，使得動子的運動過程變得復雜。電磁閥吸合運動過程可分為兩個階段：吸合觸動時間ti和吸合運動時間t2,ti是從線

4、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動，這段時間是由于電與磁的慣性引起的滯后時間，取決于電磁鐵的結構、材料、線圈電壓、電感的大小和彈簧預緊力大??；進入t2階段后，吸力大于預緊力，銜鐵開始運動，電流變化規(guī)律就比較復雜：由于工作氣隙在銜鐵運動過程中逐漸減小，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121Ni2一電磁力的大小為Fm=

5、()NoS,與線圈匝數(shù)平方成正比，與氣隙間隙平20S2、.方成反比。在電磁閥其它結構參數(shù)和驅動電流以及氣隙寬度大小相同時，線圈匝數(shù)越多，氣隙的磁場強度就越強，則氣隙磁感應強度也越大，電磁吸力也就越大。但實際上線圈匝數(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。當銜鐵完全吸合時，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

6、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。同時，驅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速度。驅動電壓為24V時，電磁閥響應時間為0.4ms,當驅動電壓為48V時，電磁閥響應時間為0.25ms,驅動電壓的升高對電磁閥的響應速度有著明顯的影響。不過，驅動電壓從48V到100V之間，響應時間的提高率為o.02ms/2OV,驅動電壓從100V提高到120V,響應時間縮減的幅度更小了，僅為0.01ms。氣總氏度工氣面長度工工柞區(qū)間(a)理想電磁鐵(b)比例電磁鐵氣隙民度氣瓶長度開關電磁鐵

7、(d)非線性電磁鐵圖7不同電磁鐵工作特性曲線3 .比例電磁鐵試驗臺測控系統(tǒng)系統(tǒng)主要由工業(yè)機、數(shù)據(jù)采集單元、輸出制單元、傳感器和比例閥測試試驗臺等組成。工控機是整個測試系統(tǒng)的主控機它通過人機界面接收用戶指令，并根據(jù)試驗內(nèi)容選擇相應的程序進行數(shù)據(jù)采集處理、顯示、打印和輸出指令信號控制比例閥測試試驗臺的動作。傳感器單元括三個壓力傳感器和兩個位移傳感器，負責將表征被測系統(tǒng)的物理量轉化為標電信號，送入數(shù)據(jù)采集卡進行顯示或處理。輸出控制單元包括4路數(shù)字量輸出1路模擬量輸出，負責將工控機的指令信號進行轉換和放大，最終控制比例閥驗臺的執(zhí)行元件。圖8試驗臺測控系統(tǒng)的組成圖9比例電磁鐵測試裝置4 .比例電磁鐵的材

8、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，其磁感應強度B與磁場強度H的關系為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)電磁閥的設計與性能要求進行合理的選擇。表1和表2列出一些常用軟磁材料的主要特點、應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強度很高，磁化曲線在寬廣的范圍內(nèi)具有較高的磁導率，并且該材料的冷加工性能良好，價格適中，所以應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動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

9、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，電能轉化為磁能的速度越快。另外，矯頑磁力對響應速度的影響并不明顯，原因在于由于用強電能激勵，產(chǎn)生強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、主要特點及應用范圍品種主要樽點i應用范圍電工用純快或悵礁電工鋼含碾里山長也由勃，瓦高f達工】5T）,口不太大.H不太小，電阻率低,冷加工性能好一般用于直流磁系統(tǒng)，13號綱的隨性能和電工相燉餓差不多帙鍍含金此，耳，很高，開,很小.8、不高，價格貴，做性能

10、對機械應力敏感高喊感電系統(tǒng)，弱磁場下工作的融系統(tǒng)、磁放火器鐵鋁合金電明率離“比甬小,口不太大.”，很小.硬庾高，耐劇性好.抗振動沖擊性能好可以代普某些鐵像合金及辭制片作做電機蛇維電器硅銅片代較高，電阻率高.扶堀小，導熱性較豪,硬度高，循性增大交流磁系統(tǒng)餞鉆合金用特別高位大斗人居里點局，（達9%匕L電陰率不高、價珞貴適合做重盤輕，體積小,耐高溫的航空及空間元件軟磁鐵氧體；神辭覆錦樺為豆合氧化物燒結體.電阻率很高，耳低.溫度度定性差高頻及較高頻（幾千赫到幾百蟀）用電僦元件表2軟磁材料的主要性能參數(shù)材料比打Br/THf/(A/)必加OQV3。00電工純鐵2.HLH1000.23.56.010號鋼13

11、H.3河曲27鐵鍍合金】1501.50U.810-H2.8i&f4a鐵詫合金IJ7B0.75u.An,6l.后Z422100-JHO鐵銀杏金1J61150-1.503-6鐵捌舍今1口80.65-0.75L8li.44H50-I0D熱軋if牖沖MLW0.5-0,B2836UM7.59.0冷軋畦輛片剎2.伽12-310.716-33雙砧合金1JW2.36L.31.4儂1600.74.5材料機/p*l(T*密度/(fl/em)TJZ.r*tR0.90101T.E5770io號輛0.757.8S770快快昔命1JM0,5?45徜隊加弼快漠合金1J沔0.4255前H.60450鐵便合金1J6707.2f

12、t730鉞9合金IJI6140-1W6.50400輯札城陰片Oil0.6535J5-727.S5690710冷兒嚀鋼片則0.7ft45r557.70隴Q-740鐵鋅合金B(yǎng)21.1027H.209橢5 .電磁閥設計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)，使之與輸入電信號成比例的變化。電液比例閥多用于開環(huán)系統(tǒng)中，實現(xiàn)對液壓參數(shù)的遙控，也可作為信號轉換與放大元件用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。與手動調節(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，雖然它的動靜態(tài)性能有些遜色，但結構簡單、成本低，已能

13、滿足多數(shù)對動靜態(tài)指標要求不很高的場合。大多數(shù)比例閥的頻寬為（550）Hz范圍，而超高速比例閥達到300450Hz滯環(huán)誤差多在1%7%間。設計電磁鐵的一般步驟：首先根據(jù)電磁吸力的要求及銜鐵結構形式估算銜鐵直徑，然后估算線圈的外徑及長度、確定線圈的匝數(shù)、磁勢等，最后是確定整個磁路結構。電磁鐵所使用的軟磁材料應具有高的磁導率、高的飽和磁感應強度和低的矯頑力；靜鐵芯和銜鐵的結構采用“大鐵芯小銜鐵”的原則；電磁閥的功率驅動采用雙電壓驅動等。電磁線圈的直徑、熱擴散系數(shù)，阻抗之間相互關聯(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

14、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，電感也相應減小，這樣會影響到線圈其它性能參數(shù)（如出力不夠等等）。圖2給出了導套和隔磁環(huán)的截面圖，圖中D代表導套和隔磁環(huán)的厚度，D=0.22mmL代表隔磁環(huán)長度，L=0.3mm,a和。分別為隔磁環(huán)和導套前、后端的傾角，a=0,。=48,h和L分別是導套后端結構尺寸，h=3mmL=1.3mmi當然，比例技術也存在著明顯的缺陷，主要是成本較高，技術較復雜。這也正是比例閥沒有得到飛速發(fā)展的原因，同時又是研究比例閥所要解決的問題。開美網(wǎng)比例閥伺服閥數(shù)字幅介質過浦精度（Pm）%25525閥內(nèi)用力損失0.5以下0.5-270.52控制功率（1）15-4

15、010-2S0.S5-10頻寬*L0以卜107020*-2005滯林（制】30.1-0.5一英貌精攻拓）0.5-10.5-161中何死區(qū)有有無有溫度漂移1%）582希格比1371口3圖4-3為耐高壓直流比例電磁帙的結溝原理圖。其磁路由前嚕蓋極靴短工作氣源，軸向可#動布快.神附業(yè)工作氣版，那套n8罡外浣回到前端蓋極低。導套前后二段由導磁材料制成，中間用一段非守段材料焊接.前段聚用經(jīng)過優(yōu)化設計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套具有足然的耐壓強度，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磴材料做成的一對支承坤形成軸向移動軸承制，

16、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節(jié)螺初生成的調零機的.可在一定范圍內(nèi)對電磁鐵的特性曲畿進行網(wǎng)強。通常的比例電讖鐵當線固電波給定時在工作行程孤圍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,一般架用非導盛材料的限位墊片將其排除。而當氣隙過大時,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構通常把摩援作為液壓元件的干擾輯之一，指的是庫侖摩擦，產(chǎn)搞說來是指邊界摩擦。由于液壓元件的滑動而之間具有極

17、好地自潤滑條忤，設計時選擇的間隙足以形成一定強度的油膜。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，相應地潤滑狀態(tài)即為流體潤滑和邊界潤滑0居于兩者之間的為過渡潤滑。庠侖摩擦的干擾作用表現(xiàn)為控制元件的穩(wěn)態(tài)特性具有死區(qū)和滯環(huán)，或表現(xiàn)為動態(tài)特性的不穩(wěn)定因素。流體摩抹力由流體粘性引起，其大小取決于流體的粕度、油膜壓力的建立方式、滑動面的形狀和大小、間隙（油膜厚度）以及滑動面的相對速度。在軸承的研究中，油膜壓力的建立方式分為兩種?？炕瑒佣陨磉\動建立的稱為動壓式，由穩(wěn)定油源供給的稱為靜壓式。在液壓元件的間蹶密封處，油膜壓力分布取決于間隙兩邊的壓差及滑動面的幾何特性。壓差可以是穩(wěn)定或交交的，其方

18、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，也可是浮動何糠，如采用浮動健板的端面容封。對這類問題按照縫隙層流流動來分析.庫侖摩擦引起的死區(qū)和滯環(huán)，可通過在控制信號上加或振信號而加以消除。但是引起死區(qū)或滯環(huán)的因素還有滑閥閥口的重疊量，機構松動配合或變形引起的游隙，電磁元件的磁滯等。振信號對重疊量和游隙不起作用.對一些電磁元件的磁滯也有影響.閥體設計國內(nèi)外發(fā)展趨勢是：從機理上爭取采用平衡式受力，改進流道結構，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