论文部分内容阅读
摘要：电磁阀的结构简单，动态相应特性良好，因此被广泛地应用到工业控制的各个领域中。电磁阀内部的动铁在线圈产生的吸力与弹簧力的作用下进行运动并保持在相应的位置。动铁运动过程中电磁阀线圈做功，而靠电磁力保持时，线圈不做功，线圈将所有的电能转化为热能，造成温度升高等各种问题，所以有必要控制动铁保持时线圈的功耗。根据驱动电压类型电磁阀可分为直流电磁阀、交流电磁阀两种。交流电磁铁在动铁吸合到位保持的过程中，电流和功耗会自动减小，而直流电磁阀则需要通过优化驱动电路或整体结构改进的方法实现功耗及发热控制。
关键词：电磁阀;自保持;结构;分析设计
中图分类号：TH137.52+2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0015-02
1 概述
电磁阀可以理解为由电磁铁控制的阀门，电磁铁的线圈通电后产生磁场，使铁磁性材料，即动铁与静铁之间产生电磁吸力，推动动铁带动阀门内的活门运动，从而改变阀门的通断状态。所以在要求功率下可靠动作是电磁阀的首要性能。电磁阀线圈的温度随通电时间而升高的现象称为线圈温升，线圈温升后电阻增加，导致电流及吸力减小，严重影响電磁阀的动作可靠性。所以控制电磁阀的线圈温升十分必要。通过限制电磁阀驱动电流是最有效的控制线圈温升的办法。
电磁阀按照驱动电压类型可分为直流电磁阀与交流电磁阀两种，其中交流电磁阀在驱动电压不变的前提下，线圈电流与磁路磁阻成正比，即动铁未动作时，动铁与静铁间存在工作气隙，磁路磁阻最大，线圈的电流最大;当动铁运动到位即动铁保持时工作气隙消失，磁路磁阻最小，此时线圈电流最小。所以在交流电磁铁的工作过程中，需要拉动动铁运动即电磁铁做功时，电磁铁的电流最大，而保持动铁在吸合位置即电磁铁发热时，电磁铁的电流最小。这种特性使交流电磁铁的发热量很小，不易发生因线圈温升造成动作不可靠。
而直流电磁阀的电流只与线圈电阻有关，即吸合和保持时电磁阀的电流不发生变化，导致长时间保持会使线圈温升很高。通过优化驱动电路或者使用自保持结构可使直流电磁阀得到类似交流电磁铁的电流特性。
2 直流电磁阀线圈做功过程分析
直流电磁阀最基本的控制方式为使用开关量的电信号进行驱动，通电时动铁受到电磁吸力向静铁运动，并保持在吸合位置;断电后动铁在复位弹簧的作用下复位，并靠弹簧力保持在初始位置。在电磁阀在整个通电吸合过程中，线圈电压随时间的变化状态如图1，曲线a-b段电压随时间持续升高，此时由于线圈电压小，动铁没有开始运动;曲线b-c段，电压随时间减小，表明线圈向外做功，即动铁开始运动;c-d段动铁运动到位后电压上升至驱动电压并保持。整个过程中只有b-c段，电磁阀将电能转换为动铁的动能，其他时间所有电能将转化为内能，使电磁阀的温度持续上升，这不仅增加了系统的功耗，同时过高的温升将会降低电磁阀的动作可靠性，加速零件老化。
3 电磁阀保持方式
3.1 通过优化驱动电压优化
根据麦克斯韦公式：
式中：
F—衔铁受到的吸力，N;Φ—通过衔铁的磁通，Wb;S—衔铁的有效面积，mm2;δ—工作气隙，mm。
可知直流电磁铁的吸力随气隙的减小而呈现类似指数型式的急剧增加（如图2），而衔铁运动过程中复位弹簧力变化不大，在电磁阀结构确定的条件下，动铁的吸力与线圈电流的平方成正比，表明直流电磁铁保持时所需要的电流远远小于动作所需要的电流。
因此可以通过改进控制电路，动铁吸合与动铁保持使用两个电压完成。在动铁吸合到位时减小驱动电压来实现减小温升，这种驱动方式称为两电压驱动。电磁阀两电压驱动电路如图3所示，经过线圈的电流由施加在MOS管上的PWM调制波决定。需要线圈工作时，加大控制MOS管导通的PWM调制波，则通过MOS管与线圈的电流增加，对电磁阀产生较大的吸力，以保证动铁动作的可靠性。此时线圈的功耗最大，电磁阀处在吸合状态。
当动铁运动到位后，调整PWM调制波令MOS逐渐减小，使通过线圈的电流逐渐减小至保持电压，电磁阀处在保持工况。具体PWM调制波的调整范围根据电磁阀气动时所需吸力与保持时所需吸力的比值确定。
3.2 通过结构优化
双线圈自保持电磁阀多数是利用稀土永磁铁来实现动铁吸合到位后的保持功能，衔铁的实际状态及运动情况主要由上下两个线圈的通电的情况决定。双线圈自保持电磁阀的原理如下（假设初始状态时衔铁处在下方，如图4）：
上下两线圈均不通电，由于初始状态动铁与上静铁间的气隙δ会产生很大的磁阻，永磁体在导磁壳、下导磁片、下静铁与动铁间形成闭合磁路，动铁保持与下静铁接触;上线圈通电时，线圈在导磁壳、上导磁片、上静铁及动铁间形成与永磁铁反向、且磁场强度远大于永磁体的闭合磁路，动铁受上线圈与永磁铁叠加磁场的吸力向上运动至与上静铁接触。此时气隙δ移至动铁与下静铁之间，永磁体在导磁壳、上导磁片、上静铁与动铁间形成闭合磁路，此时上线圈断电，动铁将依靠永磁体产生的磁场保持与上静铁接触，实现自保持功能。下线圈通电，动铁将恢复至初始位置并依靠永磁体保持。
4 双线圈自保持电磁阀计算
4.1 动铁面积计算
以图4所示结构的双线圈自保持电磁阀结构为例，用磁势降估算非工作气隙磁阻与软磁材料磁阻。永磁体设计的原则为：动铁依靠永磁体保持在上静铁端时，永磁体在动铁与上静铁间产生的吸力应大于动铁的重力;动铁依靠永磁体保持在下静铁端时，永磁体在动铁与下静铁间产生的吸力应能保证阀口可靠密封，即： 式中：
Fy—永磁铁在动铁上的合力，N;k—过载系数;m—动铁质量，kg;g—重力加速度，0.98kg/s;Fm—活门密封所需密封力，由活门结构尺寸和介质压力确定，N。
其中：
式中：
δ1、δ2—分别为计算时动铁距离上下静铁的气隙，m;R1m—工作气隙δ1的磁阻，H-1;S1—动铁有效面积，m2;μ0—真空磁导率，4π×10-7，H/m。
根据式（3）可求出动铁的有效面积S1。
式中：
S2—动铁有效面积，m2;B—工作气隙磁势降，T;F—电磁鐵需克服的反力，N。
当S1>S2时，选择S1为动铁有效面积，当S1 4.2 电磁线圈计算
线圈磁势 （6）
电磁阀在设计过程驱动电压及最大功率往往是输入条件，根据电压及功率可求得系统可提供的最大电流A，根据式（6）及电流即可求得线圈的匝数。
5 结论
电磁阀采用自保持结构来限制线圈温升能有效的提高其动作可靠性，可通过优化驱动电压与采用双线圈自保持结构两种方法实现。优化驱动电压将使控制系统复杂，双线圈自保持结构会使电磁阀本身的结构复杂，具体方案应根据实际情况进行选择。双线圈自保持结构在设计时应以永磁体和电磁铁两种方式计算动铁有效面积，并选取较大值来最终确定动铁的结构尺寸。
参考文献：
[1]潘英明，高汉平，刘刚.磁性双位自锁电磁阀磁路设计与分析[J].液压气动与密封，2010（1）：29-34.
[2]孙晓，栾盈盈，孙柯，楼亚斌.高速双线圈开关电磁阀控制策略研究[J].液压与气动，2020（2）：175-182.
[3]宋国廉.电磁铁[M].上海：上海科学技术出版社，1966.
[4]B.a.巴拉古诺夫.航空电气设计[M].北京：国防工业出版社，1966.
关键词：电磁阀;自保持;结构;分析设计
中图分类号：TH137.52+2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0015-02
1 概述
电磁阀可以理解为由电磁铁控制的阀门，电磁铁的线圈通电后产生磁场，使铁磁性材料，即动铁与静铁之间产生电磁吸力，推动动铁带动阀门内的活门运动，从而改变阀门的通断状态。所以在要求功率下可靠动作是电磁阀的首要性能。电磁阀线圈的温度随通电时间而升高的现象称为线圈温升，线圈温升后电阻增加，导致电流及吸力减小，严重影响電磁阀的动作可靠性。所以控制电磁阀的线圈温升十分必要。通过限制电磁阀驱动电流是最有效的控制线圈温升的办法。
电磁阀按照驱动电压类型可分为直流电磁阀与交流电磁阀两种，其中交流电磁阀在驱动电压不变的前提下，线圈电流与磁路磁阻成正比，即动铁未动作时，动铁与静铁间存在工作气隙，磁路磁阻最大，线圈的电流最大;当动铁运动到位即动铁保持时工作气隙消失，磁路磁阻最小，此时线圈电流最小。所以在交流电磁铁的工作过程中，需要拉动动铁运动即电磁铁做功时，电磁铁的电流最大，而保持动铁在吸合位置即电磁铁发热时，电磁铁的电流最小。这种特性使交流电磁铁的发热量很小，不易发生因线圈温升造成动作不可靠。
而直流电磁阀的电流只与线圈电阻有关，即吸合和保持时电磁阀的电流不发生变化，导致长时间保持会使线圈温升很高。通过优化驱动电路或者使用自保持结构可使直流电磁阀得到类似交流电磁铁的电流特性。
2 直流电磁阀线圈做功过程分析
直流电磁阀最基本的控制方式为使用开关量的电信号进行驱动，通电时动铁受到电磁吸力向静铁运动，并保持在吸合位置;断电后动铁在复位弹簧的作用下复位，并靠弹簧力保持在初始位置。在电磁阀在整个通电吸合过程中，线圈电压随时间的变化状态如图1，曲线a-b段电压随时间持续升高，此时由于线圈电压小，动铁没有开始运动;曲线b-c段，电压随时间减小，表明线圈向外做功，即动铁开始运动;c-d段动铁运动到位后电压上升至驱动电压并保持。整个过程中只有b-c段，电磁阀将电能转换为动铁的动能，其他时间所有电能将转化为内能，使电磁阀的温度持续上升，这不仅增加了系统的功耗，同时过高的温升将会降低电磁阀的动作可靠性，加速零件老化。
3 电磁阀保持方式
3.1 通过优化驱动电压优化
根据麦克斯韦公式：
式中：
F—衔铁受到的吸力，N;Φ—通过衔铁的磁通，Wb;S—衔铁的有效面积，mm2;δ—工作气隙，mm。
可知直流电磁铁的吸力随气隙的减小而呈现类似指数型式的急剧增加（如图2），而衔铁运动过程中复位弹簧力变化不大，在电磁阀结构确定的条件下，动铁的吸力与线圈电流的平方成正比，表明直流电磁铁保持时所需要的电流远远小于动作所需要的电流。
因此可以通过改进控制电路，动铁吸合与动铁保持使用两个电压完成。在动铁吸合到位时减小驱动电压来实现减小温升，这种驱动方式称为两电压驱动。电磁阀两电压驱动电路如图3所示，经过线圈的电流由施加在MOS管上的PWM调制波决定。需要线圈工作时，加大控制MOS管导通的PWM调制波，则通过MOS管与线圈的电流增加，对电磁阀产生较大的吸力，以保证动铁动作的可靠性。此时线圈的功耗最大，电磁阀处在吸合状态。
当动铁运动到位后，调整PWM调制波令MOS逐渐减小，使通过线圈的电流逐渐减小至保持电压，电磁阀处在保持工况。具体PWM调制波的调整范围根据电磁阀气动时所需吸力与保持时所需吸力的比值确定。
3.2 通过结构优化
双线圈自保持电磁阀多数是利用稀土永磁铁来实现动铁吸合到位后的保持功能，衔铁的实际状态及运动情况主要由上下两个线圈的通电的情况决定。双线圈自保持电磁阀的原理如下（假设初始状态时衔铁处在下方，如图4）：
上下两线圈均不通电，由于初始状态动铁与上静铁间的气隙δ会产生很大的磁阻，永磁体在导磁壳、下导磁片、下静铁与动铁间形成闭合磁路，动铁保持与下静铁接触;上线圈通电时，线圈在导磁壳、上导磁片、上静铁及动铁间形成与永磁铁反向、且磁场强度远大于永磁体的闭合磁路，动铁受上线圈与永磁铁叠加磁场的吸力向上运动至与上静铁接触。此时气隙δ移至动铁与下静铁之间，永磁体在导磁壳、上导磁片、上静铁与动铁间形成闭合磁路，此时上线圈断电，动铁将依靠永磁体产生的磁场保持与上静铁接触，实现自保持功能。下线圈通电，动铁将恢复至初始位置并依靠永磁体保持。
4 双线圈自保持电磁阀计算
4.1 动铁面积计算
以图4所示结构的双线圈自保持电磁阀结构为例，用磁势降估算非工作气隙磁阻与软磁材料磁阻。永磁体设计的原则为：动铁依靠永磁体保持在上静铁端时，永磁体在动铁与上静铁间产生的吸力应大于动铁的重力;动铁依靠永磁体保持在下静铁端时，永磁体在动铁与下静铁间产生的吸力应能保证阀口可靠密封，即： 式中：
Fy—永磁铁在动铁上的合力，N;k—过载系数;m—动铁质量，kg;g—重力加速度，0.98kg/s;Fm—活门密封所需密封力，由活门结构尺寸和介质压力确定，N。
其中：
式中：
δ1、δ2—分别为计算时动铁距离上下静铁的气隙，m;R1m—工作气隙δ1的磁阻，H-1;S1—动铁有效面积，m2;μ0—真空磁导率，4π×10-7，H/m。
根据式（3）可求出动铁的有效面积S1。
式中：
S2—动铁有效面积，m2;B—工作气隙磁势降，T;F—电磁鐵需克服的反力，N。
当S1>S2时，选择S1为动铁有效面积，当S1
线圈磁势 （6）
电磁阀在设计过程驱动电压及最大功率往往是输入条件，根据电压及功率可求得系统可提供的最大电流A，根据式（6）及电流即可求得线圈的匝数。
5 结论
电磁阀采用自保持结构来限制线圈温升能有效的提高其动作可靠性，可通过优化驱动电压与采用双线圈自保持结构两种方法实现。优化驱动电压将使控制系统复杂，双线圈自保持结构会使电磁阀本身的结构复杂，具体方案应根据实际情况进行选择。双线圈自保持结构在设计时应以永磁体和电磁铁两种方式计算动铁有效面积，并选取较大值来最终确定动铁的结构尺寸。
参考文献：
[1]潘英明，高汉平，刘刚.磁性双位自锁电磁阀磁路设计与分析[J].液压气动与密封，2010（1）：29-34.
[2]孙晓，栾盈盈，孙柯，楼亚斌.高速双线圈开关电磁阀控制策略研究[J].液压与气动，2020（2）：175-182.
[3]宋国廉.电磁铁[M].上海：上海科学技术出版社，1966.
[4]B.a.巴拉古诺夫.航空电气设计[M].北京：国防工业出版社，1966.