第二章 比例电磁铁.docx

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第二章比例电磁铁

第二章比例电磁铁

2.1电—机械转换元件的作用及形式

（1）电—机械转换元件的形式

目前，生产上应用的电—机械转换元件大多采用电磁式设计，并且利用电磁力与弹簧力相互平衡的原理，实现电—机械的比例转换。

最常见的有直流伺服电机、步进电机、力矩马达、动圈式力马达以及动铁式力马达。

后者更一般的称为比例电磁铁。

从目前的使用情况来看，应用最为广泛的还是比例电磁铁，它目前已经成为最主要的电—机械转换元件。

（2）电—机械转换元件的要求

在电液比例技术中，对作为阀的驱动装置的电—机械转换元件的基本要求有以下几点：

（1）具有水平吸力特性，即输出的机械力与电信号大小成比例，与衔铁的位移无关；

（2）有足够的输出力和行程，结构紧凑、体积小；

（3）线性好，死区小，灵敏度高，滞环小；

（4）动态性能好，响应速度快；

（5）长期工作中温升不会过大，并在允许温升下仍能工作；

（6）能承受液压系统高压，抗干扰性好。

（4）比例电磁铁的概述

a.比例控制的核心是比例阀。

比例阀的输入单元是电－机械转换器，它将输入信号转换成机械量。

b.比例电磁铁根据法拉第电磁感应原理设计,能使其产生的机械量（力或力矩和位移）与输入电信号（电流）的大小成比例，再连续地控制液压阀阀芯的位置，实现连续地控制液压系统的压力、方向和流量。

当前，应用最广泛的比例电磁铁是耐高压直流比例电磁铁,如图2-1所示。

图2-1耐高压比例电磁铁

1.导套；2.限位片；3.推杆；4.工作间隙；5.非工作间隙；6.衔铁；7.轴承环；8.限磁环

比例电磁铁同电液伺服系统中伺服阀的力矩马达或力马达相似，是一种将电信号转换成机械力和位移的电－机械转换器。

比例电磁铁是电子技术与液压技术的连接环节。

比例电磁铁是一种直流行程式电磁铁，它产生一个与输入量（电流）成比例的输出量：

力和位移。

它的性能的好坏，对电液比例阀的特性有着举足轻重的作用。

2.2电磁铁的结构与工作原理

2.2.1普通螺线管型电磁铁

图2-2普通螺线管型电磁铁

1.非工作间隙；2.工作间隙；3.外壳；4.激磁线圈；5.档铁；6.衔铁

普通甲壳型螺线管电磁铁如图2-2所示，由外壳3、挡铁5、衔铁6、激磁线圈4组成。

当线圈通有直流电I时，线圈便在铁芯中产生磁场，并形成闭合的磁力线路。

电磁铁存在两个气隙，一个工作气隙2，另一个非工作气隙1。

在电磁铁吸合过程中形成两个变化的磁通，即主磁通∮和变化的磁通∮L。

衔铁6所受到的吸力主要由两部分组成。

主磁通产生的力称为端面力，而漏磁通产生的力称为螺管力。

对图示结构这两个力的方向是一致的。

这两个力的合力就构成了总的电磁力。

2.2.2单向比例电磁铁

图2-3单向比例电磁铁

1.轭铁；2.导向套锥端；3.衔铁；4.线圈；5.导向套；6.壳体

直流比例电磁铁是电液比例控制器件中应用最广泛的电—机械转换器。

它也是装甲式螺管电磁铁，由于可动部分是衔铁，所以是一种动铁式马达，具有结构简单，价格低，功率／重量比大，能够输出较大的力和位移等特点。

按比例电磁铁输出位移的形式，除最常见的单向直动式外，还有双向直动式。

回转式比例电磁铁应用较少。

线圈通电后形成的磁路经壳体、导向套锥端到轭铁而产生斜面吸力；另一路是直接由衔铁端面到轭铁的输出力。

2.3比例电磁铁的特性分析

2.3.1电磁铁的吸力特性

图2-4比例电磁铁的静态吸力—位移特性

1.比例电磁铁；2.普通电磁铁

电磁铁（直线力马达）是一种依靠电磁系统产生的电磁吸力，使衔铁对外做功的一种电动装置。

其基本特性可表示为衔铁在运动中所受到的电磁力Fm与它的行程x之间的关系，即Fm＝f（x）。

这个关系称为吸力特性。

对比例电磁铁，要求它具有水平的吸力特性。

图2-4所示为普通电磁铁与比例电磁铁的静态吸力特性。

所谓静态吸力特性就是在稳态过程中得到的吸力特性。

与它相对应的是动态特性。

比例电磁铁必须具有水平吸力特性，即在工作区内，其输出力的大小只与电流有关，与衔铁位移关，如图2-4所示。

若电磁铁的吸力不显水平特性，弹簧曲线与电磁力曲线族只有有限的几个交点，这意味着不能进行有效的位移控制。

在工作范围内，不与弹簧曲线相交的各电磁力曲线中，对应的电流在弹簧曲线以下，不会引起衔铁位移；在弹簧曲线以上时，若输出这样的电流，电磁力将超过弹簧力，将衔铁一直拉到极限位置为止。

相反，若电磁铁具有水平特性，那么在同样的弹簧曲线下，将与电磁力曲线族产生许多交点。

在这些交点上，弹簧力与电磁力相等，就是说，逐渐加大输入电流时，衔铁能连续地停留在各个位置上。

图2-5比例电磁铁的动态特性

BD（见图2-5）表示衔铁以一定的速度表现出来的吸力特性——动态特性，其上的每一点都代表了电磁铁在相应气隙下的真实磁吸力。

它的一部分用于克服负载做功，另一部分使衔铁加速，以动能形式储存起来。

静态吸力特性只是衔铁无限缓慢移动时的一种特例。

由于动态吸力特性与负载有关，以致同一电磁铁也会有不同的动态吸力特性。

习惯上把静态吸力特性作为电磁铁的吸力特性。

直动式比例电磁铁的吸力特性有以下特点：

在其工作行程范围内具有基本水平的位移－力特性，从而一定的控制电流对应一定的输出力，即输出力与输入电流成比例。

2.3.2电磁铁的负载特性

在电磁铁的运动过程中，必然要克服机械负载和阻力而作功。

对于普通电磁铁，一般都要求电磁吸力大于负载反力；而对于比例电磁铁，则衔铁处于电磁吸力与负载反力平衡状态，只有这样，电磁铁才能正常工作。

为使电磁铁可靠的工作，应使吸力特性与负载特性有良好的配合。

常见的负载反力的特性如图2-6所示。

图2-6典型负载反力特性

a.恒力负载特性；b.弹簧负载特性；c.多级弹簧负载特性

对于吸合型电磁铁，在吸合过程中，电磁吸力特性曲线应在负载反力曲线的上方；而在释放运动中，负载反力必须大于电磁产生的剩磁力。

比例电磁铁在工作过程中电磁力总是与负载力相平衡，吸力特性曲线有很多条，而负载多为弹性负载，所以它工作时吸力特性与负载特性的配合情况如图2-4所示。

负载弹簧的特性曲线与多条吸力特性曲线相交。

对应不同的输入电流，电磁力的曲线水平上下平移，而他与弹簧特性曲线的相交点便是对应电流下的工作点。

由图中可以看出，当电流改变时工作点也改变，比例电磁铁正是利用这一特性来实现电—机械信号的比例转换。

2.4比例电磁铁的分类与应用

比例电磁铁种类繁多，但工作原理基本相同。

它们都是根据比例阀的控制需要开发出来的。

根据所承受的压力等级，可分为耐高压和不耐高压的比例电磁铁。

不耐高压的比例电磁铁一般只能承受溢流阀、方向阀等的回油腔压力。

由于结构比较简单，仍有不少电液比例阀配用这类电磁铁。

根据所输出的运动参数，可分为直线运动的比例电磁铁和旋转运动的比例电磁铁（角位移式）。

直线运动的比例电磁铁应用最为广泛。

根据参数的调节方式和它们与所驱动阀芯的联接形式，比例电磁铁可分为力控制型、行程控制型和位置调节型三种基本类型。

本书按照这三种情况分类叙述各自的特点和应用。

此外，还有双向极化式耐高压比例电磁铁、插装阀式比例电磁铁、防爆比例电磁铁、内装集成比例放大器的比例电磁铁等等。

有的比例电磁铁在其尾部装有手动应急装置，当控制线路发生故障导致比例电磁铁断电时，能手动控制比例阀。

2.4.1力控制型比例电磁铁

力控制型比例电磁铁的基本特性是力—行程特性。

在力控制型比例电磁铁中，衔铁行程没有明显变化时，改变电流I，就可以调节其输出的电磁力。

由于在电子放大器中设置电流反馈环节，在电流设定值恒定不变而磁阻变化时可使磁通量不变，进而使电磁力保持不变。

在控制电流不变时，电磁力在其工作行程内保持不变。

如图2-7所示，这类电磁铁的有效工作行程约为1.5mm。

由于行程较小，力控制型电磁铁的结构很紧凑。

正由于其行程小，可用于比例压力阀和比例方向阀的先导级，将电磁力转化为液压力。

这种比例电磁铁，是一种可调节型直流电磁铁，在其衔铁腔中，充满工作油液。

（1）力控制型比例电磁铁原理图和力—行程曲线

图2-7力控制型比例电磁铁原理图

图2-8力控制型比例电磁铁力—行程曲线

（2）力控制型比例电磁铁与阀芯的连接方式

力控制型比例电磁铁直接输出力，它的工作行程短，可直接与阀芯或通过传力弹簧与阀芯连接。

图2-9力控制型比例电磁铁与阀芯的连接方式

a）比例电磁铁通过传力弹簧作用在阀芯上b）比例电磁铁直接作用在阀芯上

2.4.2行程控制型比例电磁铁

在行程控制型电比例磁铁中，衔铁的位置由一个闭环调节回路进行调节。

只要电磁铁在其允许的工作区域内工作，其衔铁位置就保持不变，而与所受反力无关。

使用行程调节型比例电磁铁，能够直接推动诸如比例方向阀、流量阀及压力阀的阀芯，并将其控制在任意位置上。

电磁铁的行程，因其规格而异，一般在3~5mm之间。

如前所述，行程控制型比例电磁铁，主要用来控制作用式四通比例方向阀。

配上电反馈环节后，电磁铁的滞环及重复误差均较小。

此外，作用在阀芯上的液动力也受到抑制（与各种可能产生的干扰力相比，电磁力较小）。

在先导阀中，受控压力作用在一个较大的控制面积上，因此供使用的调节力要大得多，而干扰力影响的百分比并不大。

因此，先导式比例阀也可不带电反馈机构。

（1）行程控制型比例电磁铁原理图

图2-10行程控制型比例电磁铁原理图

（2）行程控制型比例电磁铁示意图

行程控制型比例电磁铁是在力控制型比例电磁铁的基础上，将弹簧布置在阀芯的另一端得到的。

图2-10行程控制型比例电磁铁示意图

a）单个使用的行程控制型比例电磁铁b）成对使用的行程控制型比例电磁铁

2.4.3位置调节型比例电磁铁

比例电磁铁衔铁的位置通过位移传感器检测，与比例放大器一起构成位置反馈系统，就形成了位置调节型比例电磁铁。

只要电磁铁运行在允许的工作区域内，其衔铁就保持与输入电信号相对应的位置不变，而与所受反力无关，即它的负载刚度很大。

这类位置调节型比例电磁铁多用于控制精度要求较高的比例阀上。

在结构上，除了衔铁的一端接上位移传感器（位移传感器的动杆与衔铁固定联接）外，其余与力控制型、行程控制型比例电磁铁基本相同。

位置调节型比例电磁铁在比例方向阀和比例流量阀上，可控制阀口开度，用在比例压力阀上，可获得精确的输出力。

这种比例电磁铁具有很高的定位精度，负载刚度大，抗干扰能力强。

由于这类比例电磁铁是一个位置反馈系统，故要与配套的比例放大器一起使用。

（1）位置调节型比例电磁铁结构图

图2-12位置调节型比例电磁铁结构图

（2）位置调节型比例电磁铁示意图

图2-13位置调节型比例电磁铁示意图

2.5比例电磁铁的初步设计

比例电磁铁的初步设计主要涉及的基本方程有四个，即电磁吸力方程、磁势方程、电压方程和发热方程.这些方程反映了结构尺寸和物理参数之间的基本关系。

此外还有表征电磁铁尺寸参数的合理取值范围的关系式，下面分别讨论。

（1）电磁铁的吸力方程

作为初步计算,计算基础为麦克韦斯公式,采用等效气隙磁导法较为简便。

（2-1）

式中B0——等效气隙处的磁感应强度（T）；

S0——等效气隙端面积（m2）；

μ0——空气导磁率，其值为（H/m）。

（2）磁势方程

磁势方程反映了电磁铁正常工作时所需要的激磁势值，利用磁势方程可求出线圈所需要的激磁安匝数：

（2-2）

式中Rp,Rg——气隙磁阻和导磁体磁阻。

（3）电压方程

电流通过线圈便产生磁势,并引起发热。

为了确定线圈的参数:

圈数、线径、线圈电流等，使线圈能够在额定电压下，产生足够的磁势（IN）。

这时需要用到线圈电压方程：

（2-3）

式中gx——导线截面积（m2）；Rx——线圈总电阻（Ω）；

I——线圈电流（A）；Dx——线圈平均直径（m）；

Dw——线圈外径（m）；Dn——线圈内径（m）；

N——线圈圈数；ρx——导线在相应温度下电阻率（Ω/m）。

（4）发热方程

发热方程是为了校核电磁铁线圈在长期工作下，温升是否超过其允许值。

比例电磁铁通常按长期工作计算。

（2-4）

式中μs——散热系数；

ft——线圈填充系数；

bs，ls——线圈厚度及长度（m）；

　　ρs——工作温度下的电阻率（Ω/m），查表可得。

比例电磁铁的设计步骤：

设计的已知条件通常是：

最大电磁吸力Fm，初始气隙δ0，推杆直径d0，线圈电压U0及允许温升[θ]。

综上所述，设计步骤如下：

（１）求出结构因素Kφ，查出电磁感应强度B0。

（２）求出衔铁的外径d1和盆底极靴（导套）的外径d2。

半径间隙δ由实验确定，初步设计取δ＝0.02。

（３）计算所需安匝数IN。

线圈最大工作电流可取800mA，也可取到1.2A，由此确定线圈匝数。

（４）利用发热方程式初步计算线圈长度lso，取bs＝ls/5，得出线圈厚度bs。

并考虑到导套的外径及绝缘材料厚度，初定线圈的内、外直径Dw和Dn。

（５）利用电压方程式计算导线截面积gx，计算出线圈能否容纳必要的匝数。

（６）确定比例电磁铁的其余结构尺寸。

（７）进行必要的验算（例如温升等）工作。

2.6*比例电磁铁的使用与维护

1）与先导级配合的比例电磁铁，其工作行程相当小，应限制在比例电磁铁的有效行程内，即使它的整个工作行程处于比例电磁铁的水平吸力区段。

2）比例电磁铁一般多为湿式直流电磁铁，要特别注意衔铁腔是否耐高压，耐多少压力，不耐高压的比例电磁铁一般只能承受溢流阀、方向阀等的回油压力。

3）对配用两个比例电磁铁的比例方向阀，衔铁总行程包括工作行程和空行程。

当其中一个工作在工作区时，另一个运行于非工作区（空行程区）。

一般情况下，工作行程和空行程相等，各为衔铁总行程的二分之一。

如衔铁行程为（3+3）mm，表示工作行程3mm，空行程3mm，即以电磁铁推杆全部推出位置为起始点，将推杆向里推3mm为水平吸力的工作区，再向里推3mm为非工作区。

4）端头有放气螺钉的比例电磁铁，在液压系统启动之后到正常运行之前，应给电磁铁放气。

否则，滞留在电磁铁中的空气会影响比例阀的可靠运行。

5）为了保证静压平衡，衔铁前后腔有通道沟通，此通道断面大小要适当，在保证快速性的前提下，要有一定阻尼。

对位置调节型比例电磁铁，可取消液压阻尼，以提高其快速性。

6）调零弹簧对比例电磁铁的稳态特性曲线有明显影响，其刚度和预压缩量应选择适当。

没有调零弹簧的比例电磁铁，一般亦有刚度很小的复位弹簧，以保证在未通电时，电磁铁衔铁处于确定位置。

7）位置调节型比例电磁铁的位移传感器中的电感线圈与检测联杆间的相对位置由生产厂家调整好后，不能随意变动。

8）电磁铁衔铁腔受污染后，应进行清洗。

对于图2-2所示结构的比例电磁铁，其拆卸的步骤为：

拆开电磁铁后盖（或尾部调零弹簧装置）→取出调零弹簧及相应附件→取出衔铁→取出限位片。

清洗各部件后重新装配。

在拆卸电磁铁时，一般不需将线圈部分拆开，以免擦伤线圈，弄断导线。

目前，比例电磁铁广泛采用线圈可拆卸式的结构，如图2-14所示。

图2-14线圈可拆卸式比例电磁铁

1.限位片；2.推杆；3.工作气隙；4.导套；5.非工作气隙；

6.应急手动推杆；7.橡胶螺母；8.衔铁；9.轴承环；10.隔磁环

拆卸时，拧下尾部的橡胶螺母，就可抽出线圈部分，然后，可用扳手取出比例电磁铁芯轴，再按图2-2所示的比例电磁铁的拆卸步骤进一步分解。

这种结构的比例电磁铁，其拆卸和装配过程变得更加简单，且线圈部分具有互换性。

一般情况下，经内部分解后又重新装配的比例电磁铁，应随比例阀一起在实验台上进行重新调试，以确保其零点和增益符合比例阀控制特性的要求。

9）比例电磁铁上的手动应急机构，用来在断电或比例控制放大器出现故障时，手动操作系统，系统布置时应留出手动操作空间。

10）通过比例放大器调整颤振信号，应在保证比例阀的稳定性和小电流信号的良好稳态特性的前提下，使滞环尽可能小。

一般由生产厂家根据比例阀的控制要求调整好，用户不要随意调整。

11）通过调节比例电磁铁调零弹簧，可调整比例阀先导级的零位及比例阀的死区，以获得满意的比例阀控制特性。

12）国内外生产比例电磁铁的厂家很多，但不同厂家的比例电磁铁在结构和性能上仍有差别。

因此，即使是同一规格的比例电磁铁，由于生产厂家不同，也不能相互简单替代。