某型電磁閥高溫啟動(dòng)電壓特性研究

王晶晶，朱曉萍

(貴航高級(jí)技工學(xué)校，貴州 貴陽 550009)

電磁閥作為控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵執(zhí)行元件之一，其性能品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。隨著科技水平的提高，系統(tǒng)對(duì)電磁閥的要求也越來越高，如為提高產(chǎn)品可靠性，采用雙線圈結(jié)構(gòu)，同時(shí)保證電磁閥在全溫度范圍內(nèi)均能可靠工作。由于電磁閥負(fù)載反力隨溫度的升高而改變，同時(shí)電磁閥的電磁特性本身受溫度的影響也較大，因此研究高溫下電磁閥的啟動(dòng)電壓特性對(duì)于提高產(chǎn)品的可靠性是很有必要的。本文以某型電磁閥為例，討論其高溫啟動(dòng)電壓特性的設(shè)計(jì)方法。

1 電磁閥工作原理簡介

某雙線圈電磁閥為兩位兩通常閉式電磁閥，A口為進(jìn)油口，B口為出油口。其線圈組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。線圈組件在外部激勵(lì)電壓的作用下產(chǎn)生磁場，銜鐵在電磁力作用下克服阻力向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)進(jìn)口A與出口B相通；當(dāng)線圈組件無外部電壓激勵(lì)時(shí)，在銜鐵彈簧作用下，銜鐵處于右端位置將進(jìn)口A與出口B阻斷。電磁閥線圈組件中的兩套線圈繞組，只要有一套能正常工作，該電磁閥就能實(shí)現(xiàn)上述功能。

圖1 線圈組件結(jié)構(gòu)圖

2 啟動(dòng)電壓問題的提出

該型電磁閥的額定工作電壓為27V DC，最低工作電壓為16V DC，最高工作燃油溫度為120 ℃，最高工作環(huán)境溫度為180 ℃。在對(duì)該型電磁閥進(jìn)行高溫特性檢測過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)燃油溫度高于80 ℃時(shí)出現(xiàn)通斷轉(zhuǎn)換功能失效問題。隨后對(duì)該型電磁閥進(jìn)行高溫啟動(dòng)電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 高溫啟動(dòng)電壓試驗(yàn)

由表1可知，常溫下該電磁閥的啟動(dòng)電壓均不大于16V DC，滿足使用要求，而當(dāng)試驗(yàn)溫度高于80 ℃時(shí)，該電磁閥的啟動(dòng)電壓均高于16V DC，不滿足使用要求，且溫度越高其啟動(dòng)電壓越大。因此為保證電磁閥在常溫及高溫下均工作可靠，需對(duì)電磁閥進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 機(jī)理分析

3.1 溫度影響分析

電磁閥的動(dòng)態(tài)特性方程[1]為：

(1)

式中：U-線圈激勵(lì)電壓；i-線圈電流；R-線圈電阻，是θ的函數(shù)；ψ-電磁閥全磁鏈；δ-電磁閥工作氣隙；B-磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ0-真空磁導(dǎo)率，其值為4π×10-7Wb/A·m；S-有效磁路面積；θ-線圈工作溫度，單位為攝氏度(℃)；θ0-電磁閥工作環(huán)境溫度；D0T-電磁閥線圈外徑；Hx-電磁閥線圈高度。

全電流定律：

(2)

式中：H-磁場強(qiáng)度，單位為安培每米(A/m)；l-閉合曲線。又：

B=μH

(3)

式中：μ-材料磁導(dǎo)率。

由式(1)、式(2)和式(3)得出，為保證電磁閥高溫下的工作可靠性，需重點(diǎn)分析溫度對(duì)電磁力的影響和溫度對(duì)負(fù)載反力的影響。

3.2 電磁力受溫度影響分析

線圈電阻隨溫度的變化規(guī)律為：

(4)

式中：Rθ-溫度θ下的線圈電阻，單位為歐姆(Ω)；R20-20 ℃下的線圈電阻，單位為歐姆(Ω)。

由式(2)得：

(5)

式中：Iθ-溫度θ下的線圈電流，單位為安培(A)；Uθ-溫度θ下的激勵(lì)電壓，單位為伏特(V)。

則由式(1)、式(2)、式(3)和式(5)可分析得出，電磁閥的電磁力隨線圈工作溫度的升高而減小。

線圈工作溫度是電磁閥工作環(huán)境溫度、工作介質(zhì)溫度、線圈發(fā)熱功率和線圈散熱能力共同作用的結(jié)果。線圈發(fā)熱功率計(jì)算公式為：

(6)

式中：Pθ-溫度θ下的線圈發(fā)熱功率，單位為瓦特(W)。

線圈溫升公式[3]為：

(7)

式中：τxq-線圈溫升，單位為攝氏度(℃)；ρx-導(dǎo)線的電阻率，單位為歐姆·米(Ω·mm)；Kτ-線圈散熱系數(shù)，單位為瓦特每平方米·攝氏度(W/m2·℃)；fτ-線圈填充系數(shù)；bxq-線圈厚度，單位為米(m)；hxq-線圈高度，單位為米(m)。

由式(6)和式(7)得出，線圈工作溫度不僅與線圈工作電壓、線圈電阻有關(guān)，還與線圈結(jié)構(gòu)、電磁閥與周圍環(huán)境的熱交換情況等有關(guān)，同時(shí)線圈工作溫度又反過來影響線圈電阻。

3.3 負(fù)載反力受溫度影響分析

Ff常溫=(1.3～1.5)(ksΔx0+Aidpi+Aedpe)

(8)

式中：ks-彈簧剛度；Δx0-電磁閥斷電時(shí)彈簧的壓縮量；Ai-流體的入口受壓面積；Ae-流體的出口受壓面積；pi-流體的入口壓力；pe-流體的出口壓力。

高溫下的負(fù)載反力一般按：

Ff高溫=(1.8～2.0)(ksΔx0+Aidpi+Aedpe)

(9)

為保證電磁閥在系統(tǒng)上的工作可靠性，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將電磁閥最高工作溫度時(shí)的工況作為設(shè)計(jì)點(diǎn)。

4 高溫特性設(shè)計(jì)

通過對(duì)電磁閥原理的分析，得到當(dāng)電磁閥滿足式(10)時(shí)其才能可靠工作。

Fx>Ff高溫

即：Fx>(1.8～2.0)(F銜鐵彈簧-F液壓-F擋板彈簧)

(10)

通過計(jì)算得出該電磁閥在銜鐵的整個(gè)工作氣隙范圍內(nèi)，高溫時(shí)的負(fù)載反力為9.96 N。

4.1 電磁力優(yōu)化計(jì)算

由式(1)、式(2)和式(3)可得出：

Fx∝μN(yùn)iS

(11)

由式(11)得出，電磁力與導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率、激勵(lì)安匝數(shù)和有效磁路面積正相關(guān)[2]。同時(shí)對(duì)于特定的某一電磁閥其外形要求總是確定的，因此為保證電磁閥的工作可靠性及外形要求，可通過對(duì)電磁閥的導(dǎo)磁材料、線圈匝數(shù)、線圈電阻和磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，綜合產(chǎn)品可靠性、工藝性及經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)出最佳結(jié)構(gòu)。

針對(duì)本論文所述雙余度電磁閥，要求不改變產(chǎn)品的外形、線圈參數(shù)和磁路結(jié)構(gòu)，從產(chǎn)品改進(jìn)的最優(yōu)性考慮，將導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率作為改進(jìn)方向，從而提高該電磁閥高溫下的啟動(dòng)電壓特性。

上述某雙余度電磁閥改進(jìn)前所用軟磁材料為未經(jīng)熱處理的高導(dǎo)磁率合金材料1J50，為提高電磁力，找出導(dǎo)磁率更高的材料，分別對(duì)未進(jìn)行熱處理的1J50、熱處理后的1J50和熱處理后的1J22進(jìn)行磁性能檢測，得出其在相同磁場強(qiáng)度下的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并繪出B-H曲線，如圖2所示。

圖2 B-H曲線

由圖2可看出，1J50熱處理后和1J22熱處理后B-H曲線的斜率均大于未熱處理1J50的B-H曲線斜率。由此得出相同磁感應(yīng)強(qiáng)度下1J50熱處理后和1J22熱處理后的磁導(dǎo)率高于1J50熱處理前的磁導(dǎo)率。根據(jù)產(chǎn)品磁路結(jié)構(gòu)，提出導(dǎo)磁材料優(yōu)選方案，如表2所示。

表2 導(dǎo)磁材料優(yōu)選方案

為優(yōu)選出電磁閥在整個(gè)工作氣隙范圍內(nèi)的電磁力大于高溫負(fù)載反力9.96 N的方案。應(yīng)用Maxwell電磁仿真分析軟件對(duì)上述4個(gè)方案進(jìn)行電磁力仿真分析，仿真結(jié)果如圖3所示?？紤]產(chǎn)品的工作行程范圍要求，可得方案3和方案4滿足要求。又因熱處理后的1J22加工工藝性較差，最后確定方案4為實(shí)施方案。

圖3 方案仿真分析結(jié)果

4.2 高溫啟動(dòng)電壓仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證按實(shí)施方案改進(jìn)后產(chǎn)品都能滿足改進(jìn)目標(biāo)，應(yīng)用Maxwell電磁仿真分析軟件對(duì)實(shí)施方案在180 ℃下的啟動(dòng)電壓進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 方案4仿真結(jié)果

由圖4可知，改進(jìn)后產(chǎn)品在高溫下的啟動(dòng)電壓為7.5V DC，滿足高溫啟動(dòng)電壓改進(jìn)目標(biāo)不大于14V DC的要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)效果，對(duì)改進(jìn)后2臺(tái)產(chǎn)品進(jìn)行常溫啟動(dòng)電壓和高溫啟動(dòng)電壓試驗(yàn)，并與改進(jìn)前產(chǎn)品的啟動(dòng)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 改進(jìn)前后常溫啟動(dòng)電壓和高溫啟動(dòng)電壓試驗(yàn)

由表3可得出，改進(jìn)后產(chǎn)品的啟動(dòng)電壓均比改進(jìn)前低，且改進(jìn)后產(chǎn)品滿足不大于16V DC的啟動(dòng)電壓要求，改進(jìn)方案有效。

6 結(jié)論

綜合以上理論分析和試驗(yàn)結(jié)果證明，電磁閥高溫下的工況嚴(yán)苛于常溫條件，因此為保證產(chǎn)品工作可靠性，需重點(diǎn)對(duì)電磁閥高溫下的邊界條件進(jìn)行識(shí)別，并將高溫工況作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于雙余線圈電磁閥在線圈設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮兩線圈工作溫度的差異，應(yīng)通過分配線圈匝數(shù)或線圈電阻進(jìn)行補(bǔ)償，保證兩線圈工作特性的一致性。該電磁閥高溫電磁特性的設(shè)計(jì)方法對(duì)于電磁閥類產(chǎn)品，特別是雙線圈電磁閥產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有普遍的借鑒意義。