比例电磁铁综述完整版.docx
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比例电磁铁综述完整版
1.比例电磁铁结构原理
比例电磁铁结构主要由衔铁、导套、极靴、壳体、线圈、推杆等组成。
其工作原理是：
磁力线总是具有沿着磁阻最小路径闭合，并有力图缩短磁通路径以减小磁阻。
图1比例电磁铁结构
动子由两种不同材料组成,中间是导磁材料（电磁纯铁一中间开孔），
左边推杆导磁，右边推杆非导磁。
动子由油布轴承支承，推杆用以输出力。
为了动子可以左右运动，在左端右挡板，在右端装有弹簧组成调零机构。
导套前后两段由导磁材料制成，中间用一段非导磁材料一隔磁环。
导套前段和极靴组合，形成带锥形端部盆形极靴，导套和外筒间配置同心螺线管式控制线圈。
外壳采用导磁材料，以形成磁回路。
本电磁铁中因为有导套中隔磁环特殊设计才有了输出力是准恒定特性。
图2隔磁环（焊铜）
在一定位移范围内，动子输出力为一准恒定值。
根据电磁铁基本工作
原理，在动子运动过程中，磁阻会越来越小，动子受力越来越大，不会出现输出力恒定情况，为了使电磁铁能在一定位移内输出近视恒定力，电磁铁采用结构特殊一隔磁环就是使动子输出力恒定原因。
当给比例电磁铁控制线圈通入一定电流时，在线圈电流控制磁势左右下，形成两条磁路，一条磁路必由前端盖经盆形极靴底部沿轴向工作气隙进入衔铁，穿过导套后段、导磁外壳回到前端盖极靴，产生轴向力®;另一条磁路必经盆形极靴锥形周边（导套前段）径向穿过工作气隙，再进入衔铁，而洽与给汇合形成附加轴向力F小二者综合得到比例电磁铁输出力心相对于衔铁位移水平特性。
图3比例电磁铁磁路分布
图4不同时刻电磁铁内部磁力线分布
2.比例电磁铁工作过程
对工作中电磁铁来说，在通电或断电或一定电流（电压）下动子能快速准确地到达指定位置，但实际上由于存在电感和动子质量，或负载原因，使得动子运动过程变得复杂。
电磁阀吸合运动过程可分为两个阶段:
吸合触动时间t】和吸合运动时
间t2,t］是从线圈得到电压起到电流按指数曲线增至吸合电流为止过程,
在此过程中衔铁尚未运动，这段时间是由于电与磁惯性引起滞后时间，取决于电磁铁结构、材料、线圈电压、电感大小和弹賛预紧力大小；进入t2阶段后，吸力大于预紧力，衔铁开始运动，电流变化规律就比较复杂:
由于工作气隙在衔铁运动过程中逐渐减小，使线圈电感逐渐增大并产生反电势，它与线圈自感电势一起，共同阻止线圈电流增长，致便线圈电流增大到一定程度后不仅不再增大，反而有减小趋势，直到衔铁闭合，工作气隙不再变化，反电势为零，电流按新指数曲线上升至稳态电流。
这段时间取决于阀芯所受各种阻力。
对于电磁阀释放过程，如果忽略磁导体中涡流影响，当线圈信号切除后，电流立即降为零，衔铁随即开始运动，故其释放
触动时间接近于零，远较吸合触动时间短。
图5电磁铁电流曲线
图6（不同电流下）比例电磁铁力——位移曲线
电磁力大小为与线圈匝数平方成正比，与气
22o
隙间隙平方成反比。
在电磁阀其它结构参数和驱动电流以与气隙宽度大小相同时，线圈匝数越多，气隙磁场强度就越强，则气隙磁感应强度也越大，电磁吸力也就越大。
但实际上线圈匝数不是越多越好，随着匝数增加，会使线圈电感和线圈电阻增大，从而在衔铁吸合初始阶段限制了驱动电流迅速增大，在释放过程中使电流衰减速度变慢。
电磁阀气隙宽度包括衔铁工作行程和残余间隙宽度两个部分。
当衔铁完全开启时，此时气隙宽度等于衔铁工作行程和残余间隙宽度之和。
当衔铁完全吸合时，气隙宽度等于残余间隙宽度。
随着气隙宽度增大，将使电磁吸力减小。
衔铁工作过程中，气隙宽度减小，有利于电磁阀打开。
在残余间隙不变前提下，如果衔铁工作行程增加，则在关闭过程和重新打开过程时间增加，电磁力增加速度平缓，电磁阀动态特性变差。
同时，驱动电路形式与参数直接决定线圈电流波形，并极大地影响电磁阀响应速度。
驱动电压为24V时，电磁阀响应时间为0.4ms,当驱动电压为48V时，电磁阀响应时间为0.25ms,驱动电压升高对电磁阀响应速度有着明显影响。
不过，驱动电压从48V到100V之间，响应时间提高率为o.02ms/2OV,驱动电压从100V提高到120V,响应时间缩减幅度更小了，仅为0.Olmso
气隙长度
（C）开关电磁铁
（d）非线性电磁铁
图7不同电磁铁工作特性曲线
3.
比例电磁铁试验台测控系统
系统主要由工业机、数据采集单元、输出制单元、传感器和比例阀测试试验台等组成。
工控机是整个测试系统主控机它通过人机界面接收用户指令，并根据试验内容选择相应程序进行数据采集处理、显示、打印和输出指令信号控制比例阀测试试验台动作。
传感器单元括三个压力传感器和两个位移传感器，负责将表征被测系统物理量转化为标电信号，送入数据采集卡进行显示或处理。
输出控制单元包括4路数字量输出1路模拟量输出，负责将工控机指令信号进行转换和放大，最终控制比例阀验台执行元件。
图8试验台测控系统组成
图9比例电磁铁测试装置
4.比例电磁铁材料
电磁阀铁芯采用铁磁性材料，不同铁磁性材料具有不同磁化曲线，其磁感应强度B与磁场强度H关系为B=MH,它对电磁阀性能产生重大影响，因此必须根据电磁阀设计与性能要求进行合理选择。
表1和表2列出一些常用软磁材料主要特点、应用范围和主要性能参数。
比较和分析这些参数，电工纯铁极限磁感应强度很高，磁化曲线在宽广范围内具有较高磁导率，并且该材料冷加工性能良好，价格适中，所以应选用铁芯材料为电工纯铁电磁阀用于电控泵一管一阀一嘴燃油喷射系统中。
电磁阀锥阀阀芯部分山于在运动过程中阀芯锥形头部不断撞击阀体，因此可考虑锥阀阀芯主体部分采用电工纯铁，而阀体头部选用硬度高,耐磨性好，抗振动冲击性能好材料，如铁铝合金。
具有高饱和磁通密度和高电阻率材料非常适合用于制造高速电磁阀。
高饱和磁通密度意味着材料能将更多电能转化为磁能，而高电阻率则意味着涡流损失更小，磁场渗透速度更快，电能转化为磁能速度越快。
另外，矫顽磁力对响应速度影响并不明显，原因在于由于用强电能激励，产生强外部磁场使磁材料迅速饱和，相较于外部
表1软磁材料品种、主要特点与应用范围
品种
主妥将点
应用范田
电工用纯铁或低碳电工钢
含離电低«O.UW，2禺
（达2.15T）,“不太大.H不太小•电阻率低.冷加工性能好
一般用于直流班系统，10号钢的磁性能和电工用纯铁差不多
铁猱合金
戸*很高,H,很小.B、不高，价格贵，磴性能对机城应力敏礦
馬敏感磁系统,弱磁场下工作的磁系统、磁放大器
鉄铝合令
电阻率岛，比重小."不太大."很小，便度高，IW窘性好，抗扳动冲击性能好
可以代咎某兰铁钦合金及硅钢片作微电机及继电器
甘钢片
目较髙•电阻率高•铁损小.导热性较差.快度卧腕性增大
交流磁系统
诜钻合金
久符别高（达2.4T）.居里点髙，（达9800.电阻率不高、价格贵
适合做亜虽轻•体枳小.附高温的航
空及空间元件
软磁诜氣体：
谋锌
为复合氧化物烧拮体•电阻辛很鳥.Q低，混度稳定性差
离频及较高频（几千赫到几百赫〉用电磁元件
表2软磁材料主要性能参数
材料
ff./T
H小/
w）
肿1
000
•
如xlO血
电工纯锲
2.14
1.0-1.4
<1（K）
0.2
3.5-
6.1）
10号钢
2.13
Q.g〜l・3
曲〜阴
-
2〜3
铁練合金订50
L50
O.tl
10-11
2.8
25〜45
饮镰合金1J79
0.75
0.5-D.fi
1.6~
2.4
22
100-
180
總合金1J6
33.50-1.50
32〜48
3-6
铁線合金】J16
0.65-0.75
l・6〜
2.4
4-8
50〜
101）
热轧琏钢片
D41
1.94
0.5M.S
28〜36
D.4
7.5-
9.0
冷轧狂钢片Q4
2.00
12〜31
0.7
16-33
恢钻甘金1122
2.36
1.3-1.4
120-
160
0.7
4.5
材料
B小
以10"
/（r/ur
）
rt.rc
0.90
10-11
7.K5
770
10弓钢
0.75
11-16
7.85
770
铁傑合金订50
0.57
45〜M）
*.20
500
饮操合金IJ79
0.42
55-60
8・&）
450
铁棵台金1J6
70
7.2（）
730
汰银合统1J16
140~用0
6.50
400
热孔硅钳片
D4I
0.6-0.8
55〜72
7.55
690-
740
冷仇妊钢片Q1
0.75
45〜55
7.70
690-
740
飲诂合金IJ22
1.11）
27
8.20
9K0
5.电磁阀设计方法
电液比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间一种液压阀，它可以接受电信号指令，连续成比例地控制系统压力、流量等参数，使之与输入电信号成比例变化。
电液比例阀多用于开环系统中，实现对液压参数遥控,也可作为信号转换与放大元件用于闭环控制系统。
与手动调节和通断控制普通液压阀相比，它能大大提高液压系统控制水平;与电液伺服阀相比，虽然它动静态性能有些逊色，但结构简单、成本低，巳能满足多数对动静态指标要求不很高场合。
大多数比例阀频宽为（5~50）Hz范围，而超高速比例阀达到300〜450Hz滞环误差多在1%~7%之间。
设计电磁铁一般步骤：
首先根据电磁吸力要求与衔铁结构形式估算衔铁直径，然后估算线圈外径与长度、确定线圈匝数、磁势等，最后是确定整个磁路结构。
电磁铁所使用软磁材料应具有高磁导率、高饱和磁感应强度和低矫顽力；静铁芯和衔铁结构采用“大铁芯小衔铁”原则；电磁阀功率驱动采用双电压驱动等。
电磁线圈直径、热扩散系数，阻抗之间相互关联，增加线圈直径可以减小电阻，但是随着线圈阻抗降低，线圈发热损耗会增加，造成阀内温度升高，使得阀中油液粘性降低，加剧了摩擦损耗。
同时随着线圈直径增大,线圈始动安匝数也减小，电感也相应减小，这样会影响到线圈其它性能参数（如出力不够等等）。
图2给出了导套和隔磁环截面图，图中D代表导套和隔磁环厚度，D=0.22mm,L代表隔磁环长度，L=0.3mm,a和0分别为隔磁环和导套前、后端倾角用=0°,0=48°上和1,分别是导套后端结构尺寸,h=3mm,L=1.3mmo
当然，比例技术也存在着明显缺陷，主要是成本较高，技术较复杂。
这也正是比例阀没有得到飞速发展原因，同时又是研究比例阀所要解决问题。
开关阀
比例冏
伺眼阀
数字阀
介质过滤钢度（M«）
25
25
5
25
阀内压力损失
（MPa）
0.5以下
0.5-2
7
0.5〜2
控制功率（W）
15〜40
10〜25
0.05〜5
5-10
頻宽（Hz）
10以卜.
10〜70
20-200
5
滞环（％〉
一
3
0.】〜0.5
—
霓复務度<%>
0.5〜1
0.5〜1
<0.1
中位死区
有
有
无
有
温度漂移（％〉（20C-60*C）
—
5〜8
2〜3
2
价格比
1
3〜5
10
3
隔47a为耐高压克漑比例电磁饮的结构原理图。
其筱路由劇坡遂棱靴絞工作气晾，轴向可移动衔饮，径向井工作气除，导套，导磁外宪回到前端盖极靴。
專套前厉二段:
由导磁材料制戍，中间用一段非导磯材料焊按。
前段采用经过优化设计的带锥型端部和扱戦組合.形成盆姦扱它的尺寸决定了比例电確铁的稳态特性曲线的形状。
导套具有足够的耐压强度.可莘受35MP8擀压力.内孔经梢确加工用I衔铁外局用低腿蛊菲导磁材料做成的一对支承环形域轴何移动釉承厠。
寻套和宛体Z闻裝入问心螺线曾式控制线圏・修铁的怖觀装有推杆，用以输山力或位移。
后端裝育由弹赞和调节螺钉组成的调零机构.可在一定范圍内对电磁铁的時性曲线进行调整。
通常的比例电晞饮当线圏电流绮定时在H作行程范圈I内具有水平的位移力特性（匿47b），但在气隙接近于牢的区城输出力
朗si附既压亘滝比列电碰铁林結构和券住］一吸4R：
I—XfTfjRC
急剧上升，称为吸含区I,-般采用非导磁材料的限位垫片将其排煤。
而当气瞳过大时,输岀力明显下降，称为比例电磁铁的空行程区。
图1博世伺服比例阀典型结构
通常把煤擦作为液压元件的干扰禅之1,捋的是库仑摩按,严格说来是指边界摩撩C由于液压元件的滑动而之间具有极好地自润爲条件，设计时选择的闻隙足以形成一定强度的油護。
因而在正常工况下液圧元杵内部以流体摩擦和边界摩擦为主，相应地润滑状态即为流体消滑和边界海滑。
居于两肴之问的为过渡润滑。
库仑摩擦的干扰作用表现为控制元件的稳态特性具有死区和滞环，或表现为动态鞭性的不稳定因素。
流体摩擦力山挠体粘性引超，其大小取决丁流体的粘度、油膜压力的建立方式、滑动面的形状和大水、间隙（油摸厚度）以及滑动面的相对速度。
在抽承的研究中，抽膜压力的建立方式分为两种。
靠滑动面自身运动建立的称为动压式，由稳定恤頻供给的称为静压式。
往液圧元件的间威寤封处.油膜乐力分布取决于间陳两边的压蜚及滑动面的几何特性。
压差可以是穂定或交变的，其方向可以足单向或双向的。
一般具有固定间隙，如卷向间除密封9也可是浮动何凜，如采用浮动测板的瑞面密封。
对这类问题按照缝隙戻流流动来分析.•
库仑摩擦引起的死区和滞环，可通过在控制佶号上加顫振借号而加以消除。
但是引規死区或邯坏的因素还有悄阀阀□的机构松动配合或变形引起的游琮，电磴元件的磁滞等。
養塢信号对雨叠旨和游顒不起作用，对一些电磁元件的厳滞也有彫响。
阀体设计
国内外发展趋势是:
从机理上争取采用平衡式受力，改进流道结构，改善流场分布方面入手，优化节流口形式，使节流阀压力、流量控制更好地服务于现场操作。
在石油工业管道输送系统中，除了长直区段外，还大量存在几何形状不规则区段，这些区段内流体一般都处于湍流状态，运动十分复杂，如流体在弯管、非圆管、突然缩小、突然扩大管道真实流动，情况更为复杂，在那里可能出现如图2—1、图2—2所示脱体流动、二次流；形成旋涡,造成局部障碍与损失。
这些漩涡发生和发展对边界几何形状有着强烈依赖性，其形状和强度因流道不同而不同，是非均匀和高度各项异性。
其中大涡对平均运动有强烈影响，大部分质量、动量和能量输运都是大涡引起;二次涡大小、位置与发生频率会对流动系统阻力、能量损失产生重大作用。
流量系数值越大说明流体流过阀门时压力损失越小。
流量系数随阀门尺寸、型式、结构而变。
对于同样结构阀门，流体流过阀门方向不同，流量系数值也有变化。
这种变化一般是由于压力恢复不同而造成。
对于图2一3所示高压锥阀IZvl,当流体流动使阀门趋于关闭时流量系数较高，因为此时阀座扩散锥体使流体压力恢复。
阀门内部几何形状不同，流量系数曲线也不同。
图2-1扩散段中的睨依流动图2・2弯管中的二次流图2-3像冏漁Ji系数Cv号开度的关系
线性度、滞环定义，按一般控制理论定义，例如滞环大体就是在输入电流为横坐标、输出电磁力为纵坐标图面上（控制特性），电流从零到最大、以与从最大回到零一个变化周期中，上升电流与下降电流相等点上输出电磁力最大差值，除以最大输出力之值百分数。
在做电磁铁控制特性滞环、线性度时，是在电磁铁一定位移下测量输出力与输入电流关系。
不同电磁铁位移，会有所差异。
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