比例電磁鐵綜述-完整版

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—中間開(kāi)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—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)電磁鐵根本工作原理，在動(dòng)子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，磁阻會(huì)越來(lái)越小，動(dòng)子受力越來(lái)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—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(guò)導(dǎo)套后段、導(dǎo)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(dǎo)套前段〕徑向穿過(guò)工作氣隙，再進(jìn)入銜鐵，而后與集合形成附加軸向力，二者綜合得到比例電磁鐵輸出力相對(duì)于銜鐵位移的水平特性。圖3比例電磁鐵的磁路分布產(chǎn)生的端面力為：產(chǎn)生的軸向附加力為：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(guò)程對(duì)工作中的電磁鐵來(lái)說(shuō)，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(guò)程變得復(fù)雜。電磁閥吸合運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為兩個(gè)階段:吸合觸動(dòng)時(shí)間t1和吸合運(yùn)動(dòng)時(shí)間t2，t1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(guò)程，在此過(guò)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t2階段后，吸力大于預(yù)緊力，銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，電流變化規(guī)律就比擬復(fù)雜:由于工作氣隙在銜鐵運(yùn)動(dòng)過(guò)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(guò)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(kāi)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電磁鐵的電流曲線圖6〔不同電流下〕比例電磁鐵的力——位移曲線電磁力的大小為，與線圈匝數(shù)平方成正比，與氣隙間隙平方成反比。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)，那么氣隙磁感應(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(guò)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剩余間隙寬度兩個(gè)局部。當(dāng)銜鐵完全開(kāi)啟時(shí)，此時(shí)氣隙寬度等于銜鐵工作行程和剩余間隙寬度之和。當(dāng)銜鐵完全吸合時(shí)，氣隙寬度等于剩余間隙寬度。隨著氣隙寬度的增大，將使電磁吸力減小。銜鐵工作過(guò)程中，氣隙寬度減小，有利于電磁閥的翻開(kāi)。在剩余間隙不變的前提下，如果銜鐵工作行程增加，那么在關(guān)閉過(guò)程和重新翻開(kāi)過(guò)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。驅(qū)動(dòng)電壓為24V時(shí)，電磁閥響應(yīng)時(shí)間為0.4ms，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為48V時(shí)，電磁閥響應(yīng)時(shí)間為0.25ms，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(guò)，驅(qū)動(dòng)電壓從48V到100V之間，響應(yīng)時(shí)間的提高率為o.02ms/2OV，驅(qū)動(dòng)電壓從100V提高到120V，響應(yīng)時(shí)間縮減的幅度更小了，僅為0.01ms。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(guò)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)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=μH，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)。比擬和分析這些參數(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。電磁閥的錐閥閥芯局部山于在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中閥芯錐形頭部不斷撞擊閥體，因此可考慮錐閥閥芯的主體局部采用電工純鐵，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，而高電阻率那么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)電能鼓勵(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)用范圍表2軟磁材料的主要性能參數(shù)5.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(kāi)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;與電液伺服閥相比，雖然它的動(dòng)靜態(tài)性能有些遜色，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢(qián)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(5~50)Hz范圍，而超高速比例閥到達(dá)300~450Hz滯環(huán)誤差多在1%~7%之間。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”的原那么；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=0.22mm，L代表隔磁環(huán)長(zhǎng)度，L=0.3mm，a和θ分別為隔磁環(huán)和導(dǎo)套前、后端的傾角，a=0°，θ=48°，h和L分別是導(dǎo)套后端結(jié)構(gòu)尺寸，h=3mm，L=1.3mm。當(dāng)然，比例技術(shù)也存在著明顯的缺陷，主要是本錢(qián)較高，技術(shù)較復(fù)雜。這也正是比例閥沒(méi)有得到飛速開(kāi)展的原因，同時(shí)又是研究比例閥所要解決的問(wèn)題。圖1博世伺服比例閥典型結(jié)構(gòu)閥體設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展趨勢(shì)是:從機(jī)理上爭(zhēng)取采用平衡式受力，改良流道結(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、流量控制更好地效勞于現(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，還大量存在幾何形狀不規(guī)那么的區(qū)段，這些區(qū)段內(nèi)的流體一般都處于湍流狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，如流體在彎管、非圓管、突然縮小、突然擴(kuò)大的管道真實(shí)流動(dòng)，情況更為復(fù)雜，在那里可能出現(xiàn)如圖2一1、圖2一2所示的脫體流動(dòng)、二次流；形成旋渦，造成局部障礙及損失。這些漩渦的發(fā)生和開(kāi)展對(duì)邊界幾何形狀有著強(qiáng)烈的依賴性，其形狀和強(qiáng)度因流道的不同而不同，是非均勻和高度各項(xiàng)異性的。其中大渦對(duì)平均運(yùn)動(dòng)有強(qiáng)烈的影響，大局部質(zhì)量、動(dòng)量和能量的輸運(yùn)都是大渦引起的;二次渦的大小、位置及發(fā)生的頻率會(huì)對(duì)流動(dòng)系統(tǒng)的阻力、能量損失產(chǎn)生重大的作用。流量系數(shù)值越大說(shuō)明流體流過(guò)閥門(mén)時(shí)的壓力損失越小。流量系數(shù)隨閥門(mén)尺寸、型式、結(jié)構(gòu)而變。對(duì)于同樣結(jié)構(gòu)的閥門(mén)，流體流過(guò)閥門(mén)的方向不同，流量系數(shù)值也有變化。這種變化一般是由于壓力恢復(fù)不同而造成的。對(duì)于圖2一3所示的高壓錐閥IZvl，當(dāng)流體的流動(dòng)使閥門(mén)趨于關(guān)閉時(shí)的流量系數(shù)較高，因?yàn)榇藭r(shí)閥座的擴(kuò)散錐體使流體的壓力恢復(fù)。