比例電磁鐵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

杜金鳳

摘 要：比例電磁鐵是比例閥的核心部件，它的水平位移——力特性是比例電磁鐵所要求的重要性能，用電磁仿真軟件對(duì)多種比例電磁鐵結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了電磁學(xué)仿真，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出影響位移——力特性及電磁力大小的幾個(gè)重要參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)對(duì)比例電磁鐵性能的影響進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：比例電磁鐵，結(jié)構(gòu)參數(shù)，電磁學(xué)仿真

1.概述

比例電磁鐵作為電液比例控制元件的電——機(jī)械轉(zhuǎn)換器件，其功能是將比例控制放大器輸給的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成力或位移。比例電磁鐵推力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)油質(zhì)要求不高，維護(hù)方便，成本低廉，銜鐵腔可做成耐高壓結(jié)構(gòu)，是電液比例控制技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的電——機(jī)械轉(zhuǎn)換器。比例電磁鐵的特性及工作可靠性，對(duì)電液比例控制系統(tǒng)和元件具有十分重要的影響，是電液比例控制技術(shù)關(guān)鍵部件之一。

利用已經(jīng)建立的比例電磁鐵仿真模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，比較得出比例電磁鐵的關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中包括銜鐵長(zhǎng)度、銜鐵與導(dǎo)套間的徑向間隙、隔磁環(huán)工作角度、隔磁環(huán)工作長(zhǎng)度、隔磁環(huán)位置、隔磁環(huán)前段幾何形狀（以下簡(jiǎn)稱隔磁曲線）、導(dǎo)套厚度、工作氣隙的形狀以及工作氣隙寬度等。利用驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。下面簡(jiǎn)述仿真結(jié)果與分析。

2.比例電磁鐵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1 銜鐵長(zhǎng)度對(duì)比例電磁鐵的影響

如圖1所示，軸向推力隨著銜鐵長(zhǎng)度的增加而增大，B點(diǎn)處的推力約為A點(diǎn)處推力的3倍；但是曲線的上升速率呈下降趨勢(shì)，尤其在B點(diǎn)之后，曲線基本呈水平狀。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于銜鐵長(zhǎng)度變化引起磁路的閉合路徑發(fā)生變化進(jìn)而導(dǎo)致磁阻變化。在銜鐵長(zhǎng)度較短的情況下，磁路需經(jīng)過(guò)銜鐵后端氣隙、銜鐵、極靴以及殼體方能閉合，而銜鐵長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，磁路通過(guò)銜鐵、極靴、殼體即形成閉合?？梢?jiàn)因銜鐵長(zhǎng)度變短而引入的后端非工作氣隙導(dǎo)致整個(gè)磁路磁阻變大，引起磁力大幅度減小。

銜鐵作為電磁鐵中的唯一可動(dòng)部件，其設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。銜鐵的形狀（徑長(zhǎng)，軸長(zhǎng)）屬于敏感參數(shù)，一旦設(shè)置銜鐵尺寸過(guò)小，電磁力減小，必須通過(guò)增加激磁線圈安匝數(shù)來(lái)彌補(bǔ)，而安匝數(shù)的增加會(huì)增大渦流損耗，不利于電磁鐵的動(dòng)特性。銜鐵長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，不但無(wú)法有效增大推力，反而會(huì)因?yàn)橘|(zhì)量的增大延長(zhǎng)電磁鐵的動(dòng)作時(shí)間。實(shí)際選取時(shí)，可以選擇曲線即將進(jìn)入飽和段的起始點(diǎn)，使電磁力和質(zhì)量這對(duì)矛盾變量獲得一個(gè)相對(duì)的平衡。

2.2 銜鐵與導(dǎo)套間存在徑向間隙對(duì)比例電磁鐵的影響

取徑向間隙與銜鐵直徑的比值k進(jìn)行研究。徑向間隙變化，比例電磁鐵的推力幅值變化不大，但是水平段曲線會(huì)略有擺動(dòng)，如圖2所示。分析其原因：徑向間隙變化，間隙磁阻會(huì)隨之變化，導(dǎo)套內(nèi)會(huì)有部分漏磁通過(guò)，磁場(chǎng)分布產(chǎn)生一定變化，致使主氣隙磁通略有變化。k值過(guò)大水平力區(qū)段尾部上翹，k值過(guò)小水平力區(qū)段尾部下翹。選擇合適的k值，可以得到較好水平力特性。

2.3 隔磁環(huán)工作角度對(duì)比例電磁鐵的影響

隔磁環(huán)工作角度是隔磁環(huán)關(guān)鍵性的參數(shù)之一，隔磁角度決定了比例電磁鐵獨(dú)特的盆形極靴結(jié)構(gòu)的形狀。如圖3所示，從圖中曲線變化情況可知，隔磁環(huán)工作角度決定了比例電磁鐵位移一力曲線的水平特性。隔磁環(huán)工作角度α越大，曲線后段越上翹，曲線起伏波動(dòng)越明顯。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因在于，隔磁環(huán)工作角度增大，經(jīng)過(guò)隔磁環(huán)處的磁通分量

得到增大，而此時(shí)主氣隙磁通相應(yīng)被削弱，二者產(chǎn)生的電磁力疊加后表現(xiàn)為位移——力特性曲線的起伏波動(dòng)，水平特性變差。但是當(dāng)銜鐵在大行程位置吸力下降時(shí)，可以適當(dāng)增大隔磁角度α來(lái)改善位移一力曲線水平特性。

2.4 隔磁環(huán)長(zhǎng)度對(duì)比例電磁鐵的影響

改變隔磁環(huán)長(zhǎng)度，可以調(diào)整比例電磁鐵位移一力特性曲線的水平段寬度。增加隔磁環(huán)的長(zhǎng)度可以增加位移一力曲線水平段的長(zhǎng)度，從而增加電磁鐵的有效工作長(zhǎng)度。一般在實(shí)際初步設(shè)計(jì)中，選取隔磁環(huán)長(zhǎng)度C等于或大于工作氣隙的長(zhǎng)度，可以獲得較好的水平位移一力控制特性。

2.5 隔磁環(huán)位置對(duì)比例電磁鐵的影響

比例電磁鐵在工作行程內(nèi)的水平位移——力特性曲線是由端面力和附加軸向力兩個(gè)分力合成的。端面力是由磁感線穿越工作氣隙進(jìn)入極靴而產(chǎn)生；附加軸向力則由磁感線從銜鐵直接進(jìn)入導(dǎo)套而產(chǎn)生。改變銜鐵導(dǎo)套形成的磁路上的磁阻可對(duì)磁感線分布產(chǎn)生影響，從而改變附加軸向力的大小，控制位移——力特性曲線的形狀。而磁阻的大小與磁路截面積成反比，因此調(diào)整隔磁環(huán)的位置實(shí)現(xiàn)可以控制局部磁阻的大小，達(dá)到間接控制附加軸向力的目的。如圖4所示，左圖隔磁環(huán)位于工作氣隙下方，右圖，隔磁環(huán)緊鄰工作氣隙。右圖可以得到較好的水平位移——力曲線。

盆口的幾何形狀是比例電磁鐵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。一般，隔磁環(huán)前段都采用直線的方式，構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的幾何錐形盆口。對(duì)比直線形狀，采用內(nèi)凹型和外凸型兩種曲線構(gòu)成盆口，如圖5所示。從圖6可以看出：采用內(nèi)凹曲線，銜鐵的位移力特性最佳；曲線外凸，水平特性段尾部上翹，電磁鐵的水平力特性變差；直線則介于二者之間。內(nèi)凹曲線提供的導(dǎo)磁面積比較狹窄，磁通絕大多數(shù)集中在曲線的前端，即導(dǎo)套的底部，此時(shí)磁通分量較小，軸向附加力也相應(yīng)較小；曲線外凸時(shí)，隔磁環(huán)處的導(dǎo)磁面積加大，磁通更多向?qū)浊岸思?，徑向磁通分量得到明顯加強(qiáng)，使得主氣隙磁通受到較大的削弱，銜鐵的軸向推力相應(yīng)出現(xiàn)下跌。因此，內(nèi)凹型隔磁曲線相較于直線型和外凹型隔磁曲線而言，能夠更好的補(bǔ)償主工作氣隙軸向力的幅值變化，因而也就能夠獲得更好的行程——力特性。

2.7 導(dǎo)套厚度對(duì)比例電磁鐵的影響

導(dǎo)套厚度的變化引起銜鐵軸向推力和銜鐵有效工作行程發(fā)生變化。從圖6可以看出：軸向推力的大小隨著導(dǎo)套厚度的增加而增大，但導(dǎo)套厚度超過(guò)一定值時(shí)，軸向推力的增加值變小，趨于穩(wěn)定；軸向推力增加的同時(shí)銜鐵有效行程變短。因此，要增大比例電磁鐵的工作行程，可以適當(dāng)減小導(dǎo)套厚度，但要注意其推力的減小。

產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是，導(dǎo)套厚度減小的同時(shí)，導(dǎo)套與銜鐵間的徑向間隙會(huì)加大，導(dǎo)致間隙磁阻會(huì)發(fā)生變化。導(dǎo)套內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生部分漏磁，主氣隙磁通隨之改變，因此也會(huì)對(duì)水平段曲線產(chǎn)生影響，反映為曲線的擺動(dòng)。

2.8 工作氣隙形狀對(duì)比例電磁鐵的影響

由電磁學(xué)知識(shí)可知，氣隙截面積是影響氣隙磁導(dǎo)的重要因素，氣隙形狀的改變會(huì)影響磁感線在氣隙處的分布狀況進(jìn)而影響位移——力特性曲線的形狀?？梢钥紤]設(shè)計(jì)不同的工作氣隙形（即極靴銜鐵端面形狀）來(lái)驗(yàn)證哪種結(jié)構(gòu)更符合比例電磁鐵的要求。在比例電磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，帶錐形周邊的盆形極靴（相應(yīng)銜鐵端部為錐形）能獲得較理想的特性曲線。

3. 結(jié)論

對(duì)單向比例電磁鐵的特性總結(jié)如下：銜鐵存在最優(yōu)長(zhǎng)度，徑長(zhǎng)比約為1/2時(shí)，可在保證輸出足夠推力的同時(shí)質(zhì)量最輕；銜鐵與導(dǎo)套間的徑向間隙對(duì)輸出特性略有影響，徑向間隙過(guò)小，水平段曲線會(huì)略有上翹，相反，徑向間隙比過(guò)大，水平段會(huì)曲線出現(xiàn)下跌；隔磁環(huán)工作角度與隔磁曲線直接關(guān)系到盆口極靴的形狀及尺寸，分析表明較小隔磁角以及內(nèi)凹型隔磁曲線能夠獲得更好的行程力特性；導(dǎo)套厚度同時(shí)影響到銜鐵軸向推力和工作行程，因此應(yīng)根據(jù)力和行程的實(shí)際設(shè)計(jì)要求，選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)套厚度；采用盆形極靴能獲得較理想的特性曲線。

上述所列影響比例電磁鐵性能的因素共同存在，互相制約。在設(shè)計(jì)比例電磁鐵時(shí)，既要依靠電磁學(xué)理論的指導(dǎo)及借鑒國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)外，還要善于利用優(yōu)秀的仿真工具進(jìn)行更加深入詳盡的分

析。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳根茂，邱敏秀，王慶豐等.新編實(shí)用電液比例技術(shù) [M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.

[2] 黃時(shí)煒.比例——高速雙向復(fù)合電磁鐵的研究 [D].浙江大學(xué)，2006.

[3] 鄭羽強(qiáng).共軌系統(tǒng)高壓變量泵用高速比例電磁鐵的研究[D].浙江大學(xué)，2008.

[4] 康宏偉，劉雪垠.改善比例電磁鐵位移——力特性的幾點(diǎn)措施[J].流體傳動(dòng)與控制，2010，（01）45