連續(xù)供墨式電磁閥設(shè)計(jì)及其鐵芯受力與運(yùn)動(dòng)分析

史兆森，呂漢明,2

（1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387；2.教育部天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

0 引言

噴碼機(jī)是一種通過(guò)控制軟件，使用非接觸方式在產(chǎn)品上進(jìn)行標(biāo)識(shí)的設(shè)備[1]。現(xiàn)今噴碼機(jī)應(yīng)用越來(lái)越來(lái)廣泛，特別在工業(yè)中的使用更加重要。目前按照噴碼機(jī)應(yīng)用可分為小字符噴碼機(jī)、大字符噴碼機(jī)、激光噴碼機(jī)、高解析噴碼機(jī)、油墨噴碼機(jī)、熱轉(zhuǎn)印噴碼機(jī)[2]。本文主要研究大字符噴碼機(jī)，大字符噴碼機(jī)的噴頭由7組或者16組精度較高的電磁閥組成，在噴印過(guò)程中，由電腦處理噴印的字符或圖片，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來(lái)控制電磁閥開(kāi)啟或閉合，在電磁閥開(kāi)啟時(shí)墨水由于內(nèi)部壓力噴出，噴在運(yùn)動(dòng)的被噴印物表面形成墨點(diǎn)，一連串墨點(diǎn)形成字符或圖形[3]。本文設(shè)計(jì)了用于大字符噴碼機(jī)的連續(xù)供墨式電磁閥，并根據(jù)麥克斯韋方程組推導(dǎo)出電磁閥中電磁力的計(jì)算公式，用Maxwell模擬了電磁閥鐵芯的受力及運(yùn)動(dòng)[4]，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了推導(dǎo)出的電磁力的計(jì)算公式的準(zhǔn)確性及Maxwell模型的可行性。

1 電磁閥的結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的噴碼機(jī)噴頭電磁閥的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)控制噴碼機(jī)噴頭電磁閥線圈的通、斷電，控制其電磁力的產(chǎn)生與消失，帶動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)噴墨控制[5]；噴墨量和噴墨時(shí)刻則通過(guò)電磁閥閉合時(shí)間和閉合時(shí)刻來(lái)調(diào)節(jié)[6]。

圖1 噴碼機(jī)噴頭電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 電磁力的計(jì)算

設(shè)線圈匝數(shù)為N，流過(guò)線圈的直流電流為I（A），磁路有效長(zhǎng)度（銜鐵和鐵芯吸合面之間的距離，簡(jiǎn)稱(chēng)氣隙）為Ie（cm），磁極的吸合面積為S（cm2），真空磁導(dǎo)率為μ0[7]。

則由電磁吸合力公式(1)可知，電磁力大小與安匝比（NI）大小、吸合面積大小成正比，與氣隙大小成反比，吸合面積與氣隙的大小由電磁閥硬件決定，不易輕易改變，因此調(diào)節(jié)電磁力大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)安匝比大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。

設(shè)ρ為導(dǎo)體電阻率（Ω.mm），D為線圈直徑（mm），d為漆包線線徑（mm），U為電壓（VDC）安匝比安匝比大小與電壓大小和漆包線線徑大小成正比，與線圈直徑成反比[8]。

3 Maxwell模擬

3.1 建模

為了便于進(jìn)行噴頭中的電磁閥仿真，建立模型時(shí)對(duì)電磁閥進(jìn)行了簡(jiǎn)化，僅保留了銜鐵、鐵芯及線圈[9]，所建立的電磁閥模型如圖2所示。模型中鐵芯和銜鐵設(shè)置的材料為純鐵steel1010，線圈設(shè)置的材料為copper，鐵芯運(yùn)動(dòng)邊界和電磁閥邊界設(shè)置的材料為vacuum。

圖2 電磁閥模型

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)的電磁閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如下，鐵芯直徑3mm、鐵芯長(zhǎng)度10.6mm，銜鐵直徑為3.4mm，線圈圈數(shù)2000，彈簧剛度0.4N/mm，電壓為24VDC。漆包線線徑為0.08mm，初始?xì)庀稙?mm時(shí)仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。漆包線線徑為0.12mm，初始?xì)庀稙?mm時(shí)仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。漆包線線徑為0.12mm，初始?xì)庀稙?mm時(shí)仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖3、圖5、圖8為電磁閥通電運(yùn)行時(shí)電磁閥吸力和彈簧彈力隨著時(shí)間變化的規(guī)律，圖4、圖6、圖9為電磁閥運(yùn)行時(shí)鐵芯位移與時(shí)間的關(guān)系，線圈通電后鐵芯位移隨時(shí)間的推移不斷增加，在鐵芯達(dá)與銜鐵接觸后或電磁吸力與彈簧彈力達(dá)到平衡后靜止。

圖3、圖4表明，在漆包線線徑為0.08mm，氣隙為2mm時(shí)，線圈通電后鐵芯向銜鐵運(yùn)動(dòng)，彈簧被壓縮產(chǎn)生彈力，但在5毫秒時(shí)彈簧彈力與電磁閥吸力達(dá)到平衡，由于慣性等其他作用使得鐵芯上下運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后達(dá)到靜止，這是由于電磁吸力太小，導(dǎo)致鐵芯并未運(yùn)動(dòng)1.99mm，表明漆包線線徑為0.08mm時(shí)，電磁閥線圈通電時(shí)產(chǎn)生的電磁吸力不能滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

圖5、圖6在漆包線線徑為0.12mm，氣隙為2mm時(shí)，線圈通電后鐵芯向銜鐵運(yùn)動(dòng)，彈簧被壓縮產(chǎn)生彈力，鐵芯在運(yùn)動(dòng)1.99mm達(dá)到最小氣隙后停止，表明電磁閥通電后由于產(chǎn)生的電磁力足夠大，可以滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

圖8、圖9在漆包線線徑為0.129mm，氣隙為49mm時(shí)，線圈通電后鐵芯向銜鐵運(yùn)動(dòng)，彈簧被壓縮產(chǎn)生彈力，但在6毫秒時(shí)彈簧彈力與電磁閥吸力達(dá)到平衡，由于慣性等其他作用使得鐵芯上下運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后達(dá)到靜止，這是由于電磁吸力太小，導(dǎo)致鐵芯并未運(yùn)動(dòng)1.999mm，表明漆包線線徑為0.129mm，氣隙為49mm時(shí)，電磁閥線圈通電時(shí)產(chǎn)生的電磁吸力不能滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，漆包線線徑為0.089mm，氣隙為29mm時(shí)與漆包線線徑為0.129mm，氣隙為49mm時(shí)電磁閥無(wú)法完全吸合，漆包線線徑為0.129mm，氣隙為29mm時(shí)可以完全吸合，實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果與Maxwell仿真結(jié)果相符。

圖7所示分別為線徑為0.129mm，初始?xì)庀稙?9mm時(shí)仿真結(jié)果中吸力與氣隙之間的關(guān)系和用公式(1)計(jì)算出的吸力與氣隙之間的關(guān)系。圖7表明電磁閥的吸力隨著氣隙的增加而減少，電磁線圈吸力計(jì)算公式結(jié)果與Maxwell仿真結(jié)果相似，可以作為設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的參考數(shù)據(jù)。

圖3 力與時(shí)間的關(guān)系圖（線徑0.08mm、氣隙2mm）

圖4 氣隙與時(shí)間的關(guān)系圖（線徑0.08mm、氣隙2mm）

圖5 力與時(shí)間的關(guān)系圖（線徑0.12mm、氣隙2mm）

圖6 氣隙與時(shí)間的關(guān)系圖（線徑0.12mm、氣隙2mm）

圖7 氣隙與電磁力的關(guān)系圖

圖8 力與時(shí)間的關(guān)系圖（線徑0.12mm、氣隙4mm）

圖9 氣隙與時(shí)間的關(guān)系圖（4mm）

4 結(jié)論

建立了電磁閥電磁吸合力的數(shù)學(xué)模型，利用麥克斯韋方程推導(dǎo)出線圈通電時(shí)產(chǎn)生的電磁力的計(jì)算公式，并利用ANSYS Maxwell軟件進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明：在電壓一定時(shí)，吸合面面積一定，電磁閥通電產(chǎn)生的電磁力的大小與氣隙，漆包線線徑有關(guān)，氣隙越大，產(chǎn)生的電磁力越小，漆包線線徑越大，產(chǎn)生的電磁力越大，由電磁吸合力公式(1)可知，電磁吸力與安匝比及氣隙有關(guān)，氣隙與電磁閥結(jié)構(gòu)有關(guān)，安匝比徑過(guò)公式計(jì)算與通電電壓和漆包線線徑有關(guān)，并且根據(jù)安匝比大小及氣隙大小等數(shù)據(jù)可以計(jì)算出電磁吸力大小，彈簧剛度在設(shè)計(jì)電磁閥中也有重要的影響，這些結(jié)果對(duì)電磁閥設(shè)計(jì)與修改具有很重要的參考依據(jù)。

[1]行業(yè).從“十二五”建議看噴碼機(jī)應(yīng)用的發(fā)展和前景[N].中國(guó)包裝報(bào),2010-11-09(001).

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