比例电磁铁综述-完整版

1. 比例电磁铁的结构原理

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的路径闭合，并有力图缩短磁通路径以减小磁阻。

图1 比例电磁铁的结构

动子由两种不同的材料组成，中间的是导磁材料(电磁纯铁—中间开孔)，左边的推杆导磁，右边的推杆非导磁。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的调零机构。

导套前后两段由导磁材料制成，中间用一段非导磁材料—隔磁环。导套前段和极靴组合，形成带锥形端部的盆形极靴，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的特殊设计才有了输出力是准恒定的特性。

图2 隔磁环（焊铜）

在一定的位移范围内，动子的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的情况，为了使电磁铁能在一定位移内输出近视恒定的力，电磁铁采用结构的特殊—隔磁环就是使动子输出力恒定的原因。

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a8413ff7aa654f69f1ab4d4a34743313.png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a705e4c6cf03c293022ffc686533cb3d.png；另一条磁路60d65b3de3b5793e36706f75842489ff.png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，而后与a8413ff7aa654f69f1ab4d4a34743313.png汇合形成附加轴向力3417c73100561b3eabb866492f383dae.png，二者综合得到比例电磁铁输出力37bb77c3c871577ae50e25a85958464e.png相对于衔铁位移的水平特性。

图3 比例电磁铁的磁路分布

a8413ff7aa654f69f1ab4d4a34743313.png产生的端面力为：

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60d65b3de3b5793e36706f75842489ff.png产生的轴向附加力为：

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图4 不同时刻电磁铁内部磁力线分布

2. 比例电磁铁的工作过程

对工作中的电磁铁来说，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，或负载的原因，使得动子的运动过程变得复杂。

电磁阀吸合运动过程可分为两个阶段:吸合触动时间t1和吸合运动时间t2，t1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的过程，在此过程中衔铁尚未运动，这段时间是由于电与磁的惯性引起的滞后时间，取决于电磁铁的结构、材料、线圈电压、电感的大小和弹簧预紧力大小；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，共同阻止线圈电流的增长，致使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，电流按新的指数曲线上升至稳态电流。这段时间取决于阀芯所受的各种阻力。对于电磁阀的释放过程，如果忽略磁导体中涡流的影响，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 电磁铁的电流曲线

图6 （不同电流下）比例电磁铁的力——位移曲线

电磁力的大小为00bfbf4d462509b79dc8fb708a2063b7.png，与线圈匝数平方成正比，与气隙间隙平方成反比。

在电磁阀其它结构参数和驱动电流以及气隙宽度大小相同时，线圈匝数越多，气隙的磁场强度就越强，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，随着匝数的增加，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的迅速增大，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。

随着气隙宽度的增大，将使电磁吸力减小。衔铁工作过程中，气隙宽度减小，有利于电磁阀的打开。在残余间隙不变的前提下，如果衔铁工作行程增加，则在关闭过程和重新打开过程的时间增加，电磁力增加速度平缓，电磁阀的动态特性变差。

同时，驱动电路的形式及参数直接决定线圈电流波形，并极大地影响电磁阀的响应速度。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，驱动电压的升高对电磁阀的响应速度有着明显的影响。不过，驱动电压从48V到100V之间，响应时间的提高率为o.02ms/2OV，驱动电压从100V提高到120V，响应时间缩减的幅度更小了，仅为0.01ms。

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的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的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的动作。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的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，负责将工控机的指令信号进行转换和放大，最终控制比例阀验台的执行元件。

图8 试验台测控系统的组成

图9 比例电磁铁测试装置

4. 比例电磁铁的材料

电磁阀的铁芯采用铁磁性材料，不同的铁磁性材料具有不同的磁化曲线，其磁感应强度B与磁场强度H的关系为B=μH，它对电磁阀的性能产生重大的影响，因此必须根据电磁阀的设计与性能要求进行合理的选择。

表1和表2列出一些常用软磁材料的主要特点、应用范围和主要性能参数。比较和分析这些参数，电工纯铁的极限磁感应强度很高，磁化曲线在宽广的范围内具有较高的磁导率，并且该材料的冷加工性能良好，价格适中，所以应选用铁芯材料为电工纯铁的电磁阀用于电控泵一管一阀一嘴燃油喷射系统中。电磁阀的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的主体部分采用电工纯铁，而阀体头部选用硬度高，耐磨性好，抗振动冲击性能好的材料，如铁铝合金。

具有高饱和磁通密度和高电阻率的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的电能转化为磁能，而高电阻率则意味着涡流损失更小，磁场渗透速度更快，电能转化为磁能的速度越快。另外，矫顽磁力对响应速度的影响并不明显，原因在于由于用强电能激励，产生强的外部磁场使磁材料迅速饱和，相较于外部

表1 软磁材料的品种、主要特点及应用范围

表2 软磁材料的主要性能参数

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的一种液压阀，它可以接受电信号的指令，连续成比例地控制系统的压力、流量等参数，使之与输入电信号成比例的变化。电液比例阀多用于开环系统中，实现对液压参数的遥控，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的普通液压阀相比，它能大大提高液压系统的控制水平;与电液伺服阀相比，虽然它的动静态性能有些逊色，但结构简单、成本低，已能满足多数对动静态指标要求不很高的场合。大多数比例阀的频宽为(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。

设计电磁铁的一般步骤：首先根据电磁吸力的要求及衔铁结构形式估算衔铁直径，然后估算线圈的外径及长度、确定线圈的匝数、磁势等，最后是确定整个磁路结构。

电磁铁所使用的软磁材料应具有高的磁导率、高的饱和磁感应强度和低的矫顽力；静铁芯和衔铁的结构采用“大铁芯小衔铁”的原则；电磁阀的功率驱动采用双电压驱动等。

电磁线圈的直径、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，但是随着线圈阻抗的降低，线圈的发热损耗会增加，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。同时随着线圈直径的增大，线圈的始动安匝数也减小，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的截面图，图中D代表导套和隔磁环的厚度，D=0.22mm，L代表隔磁环长度，L=0.3mm，a和θ分别为隔磁环和导套前、后端的倾角，a=0°，θ=48°，h和L分别是导套后端结构尺寸，h=3mm，L=1.3mm。

当然，比例技术也存在着明显的缺陷，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的原因，同时又是研究比例阀所要解决的问题。

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图1 博世伺服比例阀典型结构

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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，优化节流口的形式，使节流阀的压力、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的区段，这些区段内的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、突然扩大的管道真实流动，情况更为复杂，在那里可能出现如图2一1、图2一2所示的脱体流动、二次流；形成旋涡，造成局部障碍及损失。这些漩涡的发生和发展对边界几何形状有着强烈的依赖性，其形状和强度因流道的不同而不同，是非均匀和高度各项异性的。其中大涡对平均运动有强烈的影响，大部分质量、动量和能量的输运都是大涡引起的;二次涡的大小、位置及发生的频率会对流动系统的阻力、能量损失产生重大的作用。

流量系数值越大说明流体流过阀门时的压力损失越小。流量系数随阀门尺寸、型式、结构而变。对于同样结构的阀门，流体流过阀门的方向不同，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的。对于图2一3所示的高压锥阀IZvl，当流体的流动使阀门趋于关闭时的流量系数较高，因为此时阀座的扩散锥体使流体的压力恢复。阀门内部的几何形状不同，流量系数的曲线也不同。

线性度、滞环的定义，按一般控制理论的定义，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的图面上（控制特性），电流从零到最大、以及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的最大差值，除以最大输出力之值的百分数。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的关系。不同电磁铁位移，会有所差异。