比例電磁閥電磁設計流程

/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，如圖1。圖1比例電磁鐵的剖面圖一般電磁鐵就是一個開關量，不是開就是關，關的時候開口最小，開的時候開口最大，沒有方法調(diào)整；比例電磁鐵是依據(jù)給定電流的大小確定閥開口的大小，是一個連續(xù)的過程。比例電磁鐵和一般的電磁鐵區(qū)分就是比例電磁鐵是一般電磁鐵加一個彈簧，可以使比例電磁鐵輸出的力和電流成比例關系，和位移無關，所以比例電磁鐵必需具有水平吸力特性，即在工作區(qū)內(nèi)，其輸出力的大小只和電流有關，和銜鐵位移無關。若電磁鐵的吸力不顯水平特性，彈簧曲線和電磁力曲線族只有有限的幾個交點，這意味著不能進行有效的位移限制。在工作范圍內(nèi)，不和彈簧曲線相交的各電磁力曲線中，對應的電流在彈簧曲線以下，不會引起銜鐵位移；在彈簧曲線以上時，若輸出這樣的電流，電磁力將超過彈簧力，將銜鐵始終拉到極限位置為止。相反，若電磁鐵具有水平特性，那么在同樣的彈簧曲線下，將和電磁力曲線族產(chǎn)生許多交點。在這些交點上，彈簧力和電磁力相等，就是說，慢慢加大輸入電流時，銜鐵能連續(xù)地停留在各個位置上。圖2比例電磁鐵的電流-力-行程關系比例電磁鐵要求在確定的位移范圍內(nèi)，銜鐵的輸出力為一準恒定值，如圖2所示。依據(jù)電磁鐵基本工作原理，在銜鐵運動過程中，磁阻會越來越小，銜鐵受力越來越大，不會出現(xiàn)輸出力恒定的狀況，為了使電磁鐵能在確定位移內(nèi)輸出近視恒定的力，電磁鐵接受結構的特殊—隔磁環(huán)。隔磁環(huán)接受非導磁材料——通常為黃銅，嵌在前后導套的中間，削減電磁鐵即將閉合時急劇增大的電磁力，使整個電磁力變的平穩(wěn)。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限制線圈。外殼接受導磁材料，以形成磁回路。同時為了銜鐵可以左右運動，在左端有擋板，在右端裝有彈簧組成的調(diào)零機構。2.比例電磁鐵的特性2.1電磁力當給比例電磁鐵限制線圈通入確定電流時，在線圈電流限制磁勢左右下，形成兩條磁路，如圖3所示，一條磁路由前端蓋經(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；另一條磁路經(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，而后和匯合形成附加軸向力，二者綜合得到比例電磁鐵輸出力，如圖2所示電流-力-行程特性，在比例電磁鐵銜鐵的整個行程區(qū)內(nèi)，電磁力特性并不全是水平曲線，可將其分為3個區(qū)域。在工作氣隙接近于零的區(qū)域，輸出力急劇上升，稱為吸合區(qū)，比例電磁鐵在這一區(qū)域不能正常工作，一般在結構上接受非導磁材料限位片將其解除；當工作氣隙過大時，電磁鐵輸出力明顯下降，這一區(qū)域稱為空行程區(qū)域，這一區(qū)域電磁鐵雖然也不能正常工作，但有時是須要的；在吸合區(qū)和空行程區(qū)之間的區(qū)域，具有近似的水平力-位移特性，這一區(qū)域稱為工作區(qū)。圖3比例電磁鐵的磁路分布產(chǎn)生的端面力為：產(chǎn)生的軸向附加力為：圖4不同位置電磁鐵內(nèi)部磁力線分布2.2影響電磁力的因素電磁力的大小為，和線圈匝數(shù)平方成正比，和氣隙間隙平方成反比。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。但事實上線圈匝數(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快速增大，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，有利于電磁閥的打開。在殘余間隙不變的前提下，假如銜鐵工作行程增加，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。驅動電路的形式及參數(shù)干脆確定線圈電流波形，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，驅動電壓的上升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。3.比例電磁鐵的限制比例閥是由計算機，放大器，比例電磁鐵，錐度臺階的閥芯，入口壓力補償閥（單聯(lián)可以不要），梭閥，內(nèi)置卸荷閥（把多余的流量送回油箱）等構成的一個完整的體系。精確限制執(zhí)行機構的位移，最好的方法是用比例流量閥。比例方向閥只能起到節(jié)流閥作用，當負載壓力變更時流量會變更，而比例流量閥的流量不遂負載壓力變更，開口調(diào)定好流量基本不變更?，F(xiàn)在的比例換向閥用的都是電-液比例復合限制。首先，比例閥必需有一個配套的放大器，它接受來自于計算機或者PLC，或者電位器（滑動變阻器）的限制信號，把0-20毫安微弱的信號放大到0-800毫安。然后，放大器把放大的信號傳送到電磁閥，電磁閥依據(jù)傳來的信號大小，克服彈簧力，調(diào)整推桿的行程，壓力隨信號變更的限制油。再后，限制油到達主閥芯的兩端，依據(jù)不同的壓力，推動閥芯移動相應的行程，因為閥芯本身有錐度的臺階和閥體組合，不同的行程得到不同的過流面積，再入口壓力穩(wěn)定的狀況下，得到不同的流量，最終實現(xiàn)比例功能。限制比例閥的比例放大器具有深度電流負反饋的電子限制放大器，其輸出電流和輸入電壓成正比，接受直流穩(wěn)壓源，利用PWM斬波限制技術調(diào)整輸入電壓。比例放大器一般都帶有顫振信號發(fā)生器和零區(qū)電流跳動等功能。4.比例電磁鐵的設計設計電磁鐵的一般步驟：首先依據(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，最終是確定整個磁路結構。4.1設計要求最大電磁吸力Fmax=80N，初始氣隙4mm，銜鐵的推桿直徑2.9mm，線圈兩端的電壓24VDC，線圈允許溫升[θ]=70℃。4.2結構形式整體接受濕式結構，如圖5所示，電磁鐵的導套是一個密封筒狀結構，可以承受確定的液壓力，銜鐵上開有兩個導油孔，工作時處于油液潤滑狀態(tài)，具有確定阻尼作用而削減了沖擊和噪聲。線圈和外殼處于干的狀態(tài)，可以分別拆卸。濕式電磁鐵具有吸合聲音小，散熱快，牢靠性好，效率高，壽命長等優(yōu)點。4.3材料選擇電磁鐵所運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。由于該比例電磁鐵才用濕式結構，各主要元件和液壓油干脆接觸，因此，所選用材料除了具有良好的導磁性外，還應有良好的耐腐蝕性。依據(jù)磁路走向及電磁鐵結構布置，銜鐵、前后導套、線圈外殼、端蓋均接受耐腐蝕軟磁合金材料，隔磁環(huán)接受黃銅，調(diào)整彈簧接受奧氏體不銹鋼。圖5Rexroth4WAR6E比例電磁鐵剖面圖4.4幾何尺寸計算靜鐵芯和銜鐵的結構接受“大鐵芯小銜鐵”的原則；復位彈簧設計由于負載工進時閥芯受液壓卡緊力大于負載快進時所受的卡緊力，復位彈簧的預緊力必需要保證能克服最大卡緊力使銜鐵復位。設計預緊力為F0=18N，初取彈簧剛度k=10N/m，則最大彈力為FMax=48N。材料選用奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti。4.4.2銜鐵設計為了使閥芯運動牢靠，電磁鐵最大推力Ftmax應大于最大彈簧彈力、最大液壓卡緊力、最大液動力和摩擦力之和，選取負載快進時閥芯的受力狀況來計算，得Ftmax=80N。導套設計銜鐵設計線圈設計圖3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=0.22mm，L代表隔磁環(huán)長度，L=0.3mm，a和θ分別為隔磁環(huán)和導套前、后端的傾角，a=0°，θ=48°，h和L分別是導套后端結構尺寸，h=3mm，L=1.3mm。圖3隔磁環(huán)（焊銅）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)溫度上升，使得閥中油液粘性降低，加劇了摩擦損耗。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)。線性度、滯環(huán)的定義，按一般限制理論的定義，例如滯環(huán)大體就是在輸入電流為橫坐標、輸出電磁力為縱坐標的圖面上（限制特性），電流從零到最大、以及從最大回到零一個變更周期中，上升電流和下降電流相等點上輸出電磁力的最大差值，除以最大輸出力之值的百分數(shù)。在做電磁鐵限制特性滯環(huán)、線性度時，是在電磁鐵確定位移下測量輸出力和輸入電流的關系。不同電磁鐵位移，會有所差異。隔磁環(huán)專業(yè)名叫分磁環(huán)，只有