車用電磁閥的設(shè)計(jì)研究

劉曈昽，馬文科，劉英山

(西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川成都 610039)

0 引言

電磁閥在液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)的整個(gè)工作過程中起到了舉足輕重的作用。電磁閥產(chǎn)品涉及的物理學(xué)領(lǐng)域較多，內(nèi)容較抽象，制造和裝配的工藝較復(fù)雜，這也是國(guó)產(chǎn)電磁閥一直需要攻克的重點(diǎn)及難點(diǎn)問題。因此多數(shù)環(huán)節(jié)都會(huì)成為影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能的關(guān)鍵。在電磁閥產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，合理布置產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和選取最優(yōu)設(shè)計(jì)方案對(duì)產(chǎn)品的輸出性能有著十分顯著的影響。

1 設(shè)計(jì)原則

普通電磁閥在工作過程中，電磁力的保持是通過消耗電能來維持[1]。根據(jù)磁場(chǎng)磁化作用的特性和設(shè)計(jì)要求，為減少設(shè)計(jì)體積、提高工作效率，一般只利用磁場(chǎng)吸引力作為電磁閥工作原理的基本依據(jù)。相比利用排斥力作為基本原理而言結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、工作更可靠。

車用電磁閥產(chǎn)品的使用主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量控制、燃油系統(tǒng)的供給量控制和熱管理系統(tǒng)中的導(dǎo)熱劑流量控制等。由于汽車產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中空間較為有限，在工作過程中的工況較為復(fù)雜，所以車用電磁閥必須工作可靠、尺寸合理、節(jié)能環(huán)保。

發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)有這樣幾個(gè)環(huán)境特點(diǎn)：震動(dòng)較劇烈、氣體壓力波動(dòng)較大、氣壓波動(dòng)頻率范圍較廣、對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)為負(fù)壓進(jìn)氣等。

2 基本原理

電流的磁效應(yīng)是電磁閥工作的基礎(chǔ)，而電磁場(chǎng)的基本特性在電磁閥的設(shè)計(jì)過程中也需要重點(diǎn)考慮，電磁力的表現(xiàn)分為吸引力和排斥力。而這兩種效果力都可以作為設(shè)計(jì)電磁閥工作的力學(xué)基礎(chǔ)。但由于工程上排斥力的產(chǎn)生和控制比吸引力復(fù)雜，所以一般選取電磁吸引力作為設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)。工作過程中，通過結(jié)構(gòu)件將電磁吸引力傳遞給最終的工作執(zhí)行件——閥芯，實(shí)現(xiàn)控制閥門開啟和閉合。

閥芯的工作過程是通電螺線管在通電過程中使螺線管內(nèi)的工作執(zhí)行件磁化形成磁極，使磁極與磁極之間在磁場(chǎng)作用下形成相對(duì)作用力而驅(qū)動(dòng)閥芯工作。依據(jù)電磁閥初始狀態(tài)和電磁閥所承擔(dān)的工作任務(wù)，電磁閥產(chǎn)品一般分為常閉型和常開型。

2.1 常閉型電磁閥結(jié)構(gòu)

圖1所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案已取得專利。在未通電的情況下閥芯通過彈簧的機(jī)械回復(fù)力使閥門保持關(guān)閉的狀態(tài)，通電時(shí)在電磁吸引力的作用下將動(dòng)鐵芯拉起使閥門處的通道打開,原理如圖1所示。

圖1 常閉型電磁閥一般結(jié)構(gòu)

2.2 常開型電磁閥結(jié)構(gòu)

常開型電磁閥與常閉型電磁閥相反，在通電時(shí)要使閥芯將閥門通道封堵，而未通電時(shí)在機(jī)械回復(fù)力的作用下使閥門保持暢通。通電時(shí)要使閥芯運(yùn)動(dòng)至使閥口封堵的狀態(tài)，這時(shí)需要一個(gè)推力來推動(dòng)閥芯從初始位置運(yùn)動(dòng)到封堵位置，由于電磁排斥力運(yùn)用較為復(fù)雜而一般只利用吸引力來拉動(dòng)執(zhí)行件運(yùn)動(dòng)，需要將電磁吸引力的拉力通過機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為推力來推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)[2]，設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 常開型電磁閥一般結(jié)構(gòu)

3 設(shè)計(jì)過程中的重難點(diǎn)問題

為了滿足更高要求的性能，實(shí)現(xiàn)體積小、質(zhì)量輕、功耗低、精度高、易維護(hù)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，產(chǎn)品整體輸出性能的好壞遵循“木桶效應(yīng)”，所以設(shè)計(jì)過程需要對(duì)重難點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行逐一加強(qiáng)。

3.1 電磁力計(jì)算方法

工程計(jì)算方法主要是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期計(jì)算電磁鐵的電磁力，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)減少產(chǎn)品試制周期。工程上電磁力的計(jì)算通常包括3種方法：經(jīng)驗(yàn)公式法、磁路分割法和有限元法。

(1)經(jīng)驗(yàn)公式法[3-4]

穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電磁鐵的吸力：

(1)

式中：N為繞組匝數(shù)；I為電流強(qiáng)度(A)；S為磁路截面積；δ為氣隙長(zhǎng)度(m)；Kr為磁漏系數(shù)(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取1.2～5.0)。

經(jīng)驗(yàn)公式法的計(jì)算較為簡(jiǎn)單，但計(jì)算精度一般不高，需要有較多的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參與。

(2)磁路分割法

磁路分割法的基本原理與電路原理類似，存在串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接方式。但在計(jì)算過程中磁阻的計(jì)算會(huì)對(duì)電磁吸力的計(jì)算造成嚴(yán)重的影響。將整個(gè)磁路通過氣隙分割成若干個(gè)具有簡(jiǎn)單幾何形狀的磁體，通過公式計(jì)算各部分的磁阻，再通過各部分的連接關(guān)系確定總磁阻[5]。其中磁阻的計(jì)算公式為

(2)

式中：R為磁阻；μ為導(dǎo)磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率；Lm、Sm分別為磁介質(zhì)的長(zhǎng)度和截面積。

設(shè)計(jì)過程中磁阻的計(jì)算與電阻的計(jì)算非常類似。對(duì)于有螺線管結(jié)構(gòu)的滑閥，一般根據(jù)勵(lì)磁電壓、線圈匝數(shù)和漆包線線徑，可以確定電磁閥的最小結(jié)構(gòu)尺寸。

(3)有限元法

計(jì)算電磁鐵吸力通常是采用經(jīng)驗(yàn)公式法，但經(jīng)驗(yàn)公式法一般只能反映某些特定的結(jié)構(gòu)，不能直觀地表示磁場(chǎng)的分布狀況。對(duì)于一些較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)往往計(jì)算結(jié)果與實(shí)際差異較大，而不同材料的選用也會(huì)帶來很大的差異。有限元法可以模擬和仿真實(shí)況特征，直觀地描述器件在工況中的場(chǎng)強(qiáng)分布和磁漏情況，可以對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)做出較有效的評(píng)估[6]。

有限元法在實(shí)際運(yùn)用中有著較顯著的優(yōu)勢(shì)，模擬結(jié)果既能考慮到材料的非線性特征，也能較準(zhǔn)確地解算出磁漏效應(yīng)和磁場(chǎng)的空間分布。而磁路分割法一般用于設(shè)計(jì)初期的評(píng)估，可以較明顯地反映和確定磁勢(shì)降低的主要結(jié)構(gòu)區(qū)域。而經(jīng)驗(yàn)公式法的使用需要設(shè)計(jì)者有較多的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)才能保證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，一般來說經(jīng)驗(yàn)公式法較為簡(jiǎn)單[7-8]，但不太容易準(zhǔn)確評(píng)估設(shè)計(jì)方案的可靠性。

3.2 氣隙對(duì)執(zhí)行件電磁吸力的影響

通常電磁滑閥所用的磁極式電磁鐵直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件工作，所以要有足夠的吸力和良好的反力匹配特征十分重要[9-10]。在設(shè)計(jì)過程中選擇合理的磁極結(jié)構(gòu)，形狀、行程和氣隙則是重點(diǎn)因素。

從圖3可知，平頭動(dòng)鐵芯的行程和氣隙是相等的，所以閥芯最大運(yùn)動(dòng)距離即為氣隙長(zhǎng)度。

圖3 平頭動(dòng)鐵閥閥芯結(jié)構(gòu)

表1為某一尺寸平頭動(dòng)鐵芯吸力隨氣隙變化的測(cè)試數(shù)據(jù)。平頭動(dòng)鐵芯結(jié)構(gòu)的電磁吸力隨氣隙的減小而迅速增大，因此在保證電磁閥最大行程不變的條件下可以通過采取一定的措施減小氣隙來增大電磁閥的電磁吸力[11-12]。在近距離作用過程中電磁吸力隨氣隙增大而迅速減小，由于近距離變化的時(shí)候作用力衰減較快[12]，所以設(shè)計(jì)閥芯運(yùn)動(dòng)行程時(shí)需要提高設(shè)計(jì)精度以保證產(chǎn)品的可靠性[13]。

表1 平頭閥芯的吸力隨氣隙變化的測(cè)試數(shù)據(jù)

3.3 閥芯錐角對(duì)執(zhí)行件電磁吸力的影響

為增大電磁作用力，根據(jù)磁場(chǎng)折射定理設(shè)計(jì)出錐頭閥芯以滿足更高的設(shè)計(jì)要求[14]。圖4為閥芯的兩種設(shè)計(jì)方案。如圖4(b)所示在合理的錐角設(shè)計(jì)下，可以滿足閥芯行程大于氣隙的條件。亦可達(dá)到在同樣的工作行程下增加電磁作用力的效果。

圖4 閥芯類型

圖5為錐頭閥芯的設(shè)計(jì)方案，由于實(shí)際制造過程中一定會(huì)產(chǎn)生形位公差導(dǎo)致配對(duì)件的錐型面不能完全接觸，且圓錐錐尖在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中可能會(huì)劃傷配合面引起較多的磁場(chǎng)散射[15-16]，所以在實(shí)際制造過程中將錐尖鈍化，并在配對(duì)件上留有過孔，如圖6(a)所示。

圖5 錐頭閥芯結(jié)構(gòu)

圖6 閥芯吸力試驗(yàn)工裝

根據(jù)理論分析設(shè)計(jì)一組對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證閥芯錐角對(duì)電磁吸力的影響。圖6(a)與圖6(b)所示的試驗(yàn)裝置除閥芯類型不同外，其余結(jié)構(gòu)均相同。試驗(yàn)中為使閥芯配對(duì)件在工作時(shí)緊密配合，在動(dòng)鐵芯錐孔底部開設(shè)直徑較小的圓柱形工藝盲孔，如圖6(a)所示[17-18]。測(cè)試模型對(duì)照組的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

根據(jù)圖6的設(shè)計(jì)方案，測(cè)試平頭閥芯和錐頭閥芯在不同電壓下的吸力。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 平頭與錐頭鐵芯吸力隨電壓變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由于鐵芯配對(duì)件配合面之間不可能做到絕對(duì)平整，默認(rèn)鐵芯配對(duì)件完全配合時(shí)表面法向距離為0.02 mm。由表2可知在完全配合時(shí)平頭鐵芯的吸力比錐頭鐵芯更大，在0～6 V的電壓范圍內(nèi)均趨近于線性變化。通過分析表2數(shù)據(jù)，磁極之間近距離作用且要保證較大吸力的情況下首先選用平頭的閥芯設(shè)計(jì)方案[19]。

通過表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以明顯看出錐頭閥芯和平頭閥芯的吸引力變化趨勢(shì)和在相同行程下的差別。由于幾何關(guān)系，120°錐頭閥芯的行程大于氣隙，而行程的長(zhǎng)度即為閥芯運(yùn)動(dòng)最大距離同時(shí)也決定了閥口開度的大小。因此，試驗(yàn)中以行程長(zhǎng)度作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

表3 平頭與錐頭鐵芯吸力隨行程變化試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表3可知行程在0.2～2.0 mm內(nèi)，120°錐角的錐頭閥芯吸力比平頭閥芯的吸力更大，當(dāng)閥芯配對(duì)件距離較遠(yuǎn)時(shí)，錐頭閥芯和平頭閥芯產(chǎn)生的電磁吸力近似相等且隨距離的增加而緩慢減小。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同類型的閥芯結(jié)構(gòu)在不同行程所產(chǎn)生的電磁作用力都有各自的特點(diǎn)。120°錐角的閥芯相比于平頭閥芯，在一定的行程范圍內(nèi)有作用距離較遠(yuǎn)且作用力較大的特點(diǎn)，適用于較長(zhǎng)行程較大作用力的閥芯設(shè)計(jì)[20]。

4 結(jié)論

在電磁閥設(shè)計(jì)過程中有較多的難點(diǎn)環(huán)節(jié)，閥芯結(jié)構(gòu)和行程會(huì)直接顯著地影響電磁吸力。通過試驗(yàn)可知：錐型閥芯的使用條件較為有限，但在一定條件下可以顯著增強(qiáng)作用力和增大作用距離。而在制造過程中錐型閥芯配對(duì)件的制造難度比普通平頭閥芯較大且成本較高，所以在電磁閥設(shè)計(jì)過程中需要酌情使用錐型閥芯的設(shè)計(jì)方案。