比例電磁鐵綜述-完整版

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

2、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）徑向穿過工作氣隙，再進(jìn)入銜鐵，而后與i匯合形成附加軸

3、向力 Fa2 ,二者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。圖3比例電磁鐵的磁路分布圖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對(duì)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tl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?。贿M(jìn)入t 2階段后

4、，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(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 L1-一 - 一為/4 ._LL一_1一r 1一 =一 ”!-_*一 .(工，

5、1 14-i31具用電灌皿我電磁闊的工件點(diǎn)圖6 （不同電流下）比例電磁鐵的力一一位移曲線 .2電磁力的大小為Fm（Ni）2 °S,與線圈匝數(shù)平方成正比，與氣隙間隙平2 oS 2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

6、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。48V至U 100V之間,響應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓為24V時(shí)，電磁閥響應(yīng)時(shí)間為， 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為48V時(shí)，電磁閥響應(yīng)時(shí)間為，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，驅(qū)動(dòng)電壓從時(shí)間的提高率為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

7、小了，僅為。.小長(zhǎng)出a理想電磁鐵I 作區(qū)闡(b)比例電磁技(C)開關(guān)電磁鐵(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(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)

8、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)過程中閥芯錐形頭部不斷撞擊閥

9、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(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)用范圍品科主笛特點(diǎn)應(yīng)用范困電工用純擦戢悵攬電工闞勺像利低！5.收用高 f達(dá)上出口. 小太太.H 小太小,電印率低，凈加J.性能好一藏用于直流出系 統(tǒng)，1。

10、號(hào)綱的HL性 能和電工用甄鐵善 不籌鐵鑲合金產(chǎn),，總/艮高.if M小，& 不高，希格黃.感性能對(duì)機(jī) 械應(yīng)力做南舟敏感施用城，弱 瞳場(chǎng)F工作的帽系 能,磁放大耨鐵鋁合金電膽率高.比宓小."小A 大，”很小，厘度苑.時(shí) 房性里，杭根蜀*擊性能好可以代替某叁帙說 合金及在銅片蚱電 電機(jī)及縫電羯城鑰片，較高.理艱李高,帙折小.導(dǎo)強(qiáng)性梗差理度任,脆件 增大交流嶗網(wǎng)跣餒拈合影用特別高（達(dá)口"TL居平 點(diǎn)高. 達(dá)期0七），也用睪不高、濟(jì)格責(zé)埔合做重量蟀，體積小，耐高溫的航空及空同兀4軟磁鐵輕體：鎮(zhèn)普 及錨怦為復(fù)含氮優(yōu)物袋烤你r電網(wǎng) 率報(bào)高.此悵，海就穩(wěn)定性高喊及收用喊幾T林到幾

11、白拉；用 電元件表2軟磁材料的主要性能參數(shù)材料&八員打H，(A/ vO科,1涮：4H附 on電工純收2. 14：,U<1003L h一 65_g號(hào)信2. 13必卜匕3圖3。嵌鐵合金U50L-5010-11Z.¥25-45設(shè)源合金】將0.75工飛1打駕1琬一 廊一媒今UHJ3.&D-1.5O粗T3Y珠K杳也打僭0. 55 F 751.6，2.448W100常朝UI.5M.8達(dá)能0.4L8 巴0冷，硅銅片Q42,0012-310,7lfi-33性拈吉金11222. 36L3F.4)20-0.74.5k 5W1材料瓦/T烹惟代電1用號(hào)。刈附1|LKfj770to弓弼0

12、.75L 8577。鐵律合金IJriO0. S7如5U機(jī)匆鈦償件金"90. ”5.6-001 &)制帙鋒含金1J670730鐵鍍冷令1JL6140'3H06. 3040。珞札村希片）110. 60.E鬲72工福-'-1-中第0.7S18557,70血 740軟詰告和IJ黑130也必州n5.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(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

13、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；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%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

14、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=, L代表隔磁a=0° , 0 =48° , h 和 L 分別是環(huán)長(zhǎng)度，L=, a和0分別為隔磁環(huán)和導(dǎo)套前、后端的傾角,導(dǎo)套后端結(jié)構(gòu)尺寸，h=3mm L=。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)

15、又是研究比例閥所要解決的問題開關(guān)翱比例閾洞解峋敗字閾外相過油精度< U )膜25525曾內(nèi)用力擄失 (HPa)O.5 0T0.5-270,5-!控制地辜<*)15To1QF50. 055S- IQM% (Ih)W , F10-7020-2005湘環(huán)%)3。.Q, 5<*«)一。5 10.57<0. 1中位施叵有有無J有<2trC*-60CJ2-32色格比13-5103圖加1x為耐高壓宜海比例電磁帙的結(jié)指原理圖.其磁路由前喝龍極航能工作氣隙， 軸向可移動(dòng)格快.役煙方工作氣隙，腓彎.游4S外宛回到前端蓋極低，耳套前后二段由 導(dǎo)磁材料制成，中闿用一段非環(huán)段材料

16、蝶按.前波聚用經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的帶儺型端部和極 靴魁合，形成就型極瓢，它的尺寸決定了比例電磁鐵的諭態(tài)特性曲線的推狀.導(dǎo)套具有 足善的耐壓強(qiáng)度,可承受35MP8靜壓力，內(nèi)孔經(jīng)精確加工，莉得帙外周用低摩擦非導(dǎo)磁材 料檄成的一對(duì)支承環(huán)脛或軸向移動(dòng)軸承郴L號(hào)套和究體之間裝入同心舞纏管式控制我固. 衡鐵的前踹裝有推桿，用以揄出力或位律.曲端裝有由彈簧和調(diào)節(jié)嫌釣劇展的調(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)行調(diào)理.通常的比例電戳鐵尚戟圖電施皓定時(shí)在 工作行程般國(guó)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)域輸田力用制耳鬲崖直施比利地政較的酌構(gòu)將轉(zhuǎn)性1嗟力團(tuán)4-Xfff RE /一空在直瓦急

17、劇上升，稱為吸合區(qū)I, 一般采用非導(dǎo)遨材料的限位墊片將其押除,而當(dāng)氣隙過大時(shí), 輸出力明顯下降，稱為比例電感鐵的空行程區(qū).圖1博世伺服比例閥典型結(jié)構(gòu)通盍把摩擦作為液壓元件的干擾,之一，指的是庫(kù)侖摩擦，嚴(yán)格說來是指邊界摩擦。 由于液壓元件的滑動(dòng)而之間具有極好地自潤(rùn)滑條件，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,居于兩者之間的為過渡潤(rùn)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)和簫環(huán)，或表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)特性的不穩(wěn)定因素。流棒摩賽力由流體粘性引起，其大小取決于流體的粘度I油膜壓力的建立方式.滑 動(dòng)面

18、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，靠猾動(dòng)面自身運(yùn)動(dòng)建立的稱為動(dòng) 壓式，山穩(wěn)定油源供給的稱為靜壓式a在液壓元件的間隙布封姓,油膜樂力分布取決于間隙兩邊的壓整及滑動(dòng)面的幾何特 仕口壓差可以是鉆定或交變的，其方向可以是單向或雙向的Q 一鼠具有固定同原，卯梗 向間隙密封，也可是浮動(dòng)間糠，如果用浮動(dòng)健板的端面密封.對(duì)這類問題按照舞就層流 流動(dòng)來分析.庫(kù)侖孽擦引起的死區(qū)和滯環(huán)，可通過在控制信號(hào)上加顛據(jù)第號(hào)而加以消除“但是引 起死區(qū)或滯壞的因素還有消圈閥口的重疊量，機(jī)構(gòu)松功配合或變形引起的游隙，電磁元 件的磁滯等。醺據(jù)信等對(duì)重疊量和游瞅不起作用,對(duì)一些電磁元件的海滯也有影晌.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