電磁閥自保持功能的分析與設(shè)計(jì)

李峰 董娟

摘要：電磁閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)相應(yīng)特性良好，因此被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域中。電磁閥內(nèi)部的動(dòng)鐵在線(xiàn)圈產(chǎn)生的吸力與彈簧力的作用下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并保持在相應(yīng)的位置。動(dòng)鐵運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電磁閥線(xiàn)圈做功，而靠電磁力保持時(shí)，線(xiàn)圈不做功，線(xiàn)圈將所有的電能轉(zhuǎn)化為熱能，造成溫度升高等各種問(wèn)題，所以有必要控制動(dòng)鐵保持時(shí)線(xiàn)圈的功耗。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電壓類(lèi)型電磁閥可分為直流電磁閥、交流電磁閥兩種。交流電磁鐵在動(dòng)鐵吸合到位保持的過(guò)程中，電流和功耗會(huì)自動(dòng)減小，而直流電磁閥則需要通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路或整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方法實(shí)現(xiàn)功耗及發(fā)熱控制。

關(guān)鍵詞：電磁閥;自保持;結(jié)構(gòu);分析設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH137.52+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0015-02

1? 概述

電磁閥可以理解為由電磁鐵控制的閥門(mén)，電磁鐵的線(xiàn)圈通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，使鐵磁性材料，即動(dòng)鐵與靜鐵之間產(chǎn)生電磁吸力，推動(dòng)動(dòng)鐵帶動(dòng)閥門(mén)內(nèi)的活門(mén)運(yùn)動(dòng)，從而改變閥門(mén)的通斷狀態(tài)。所以在要求功率下可靠動(dòng)作是電磁閥的首要性能。電磁閥線(xiàn)圈的溫度隨通電時(shí)間而升高的現(xiàn)象稱(chēng)為線(xiàn)圈溫升，線(xiàn)圈溫升后電阻增加，導(dǎo)致電流及吸力減小，嚴(yán)重影響電磁閥的動(dòng)作可靠性。所以控制電磁閥的線(xiàn)圈溫升十分必要。通過(guò)限制電磁閥驅(qū)動(dòng)電流是最有效的控制線(xiàn)圈溫升的辦法。

電磁閥按照驅(qū)動(dòng)電壓類(lèi)型可分為直流電磁閥與交流電磁閥兩種，其中交流電磁閥在驅(qū)動(dòng)電壓不變的前提下，線(xiàn)圈電流與磁路磁阻成正比，即動(dòng)鐵未動(dòng)作時(shí)，動(dòng)鐵與靜鐵間存在工作氣隙，磁路磁阻最大，線(xiàn)圈的電流最大;當(dāng)動(dòng)鐵運(yùn)動(dòng)到位即動(dòng)鐵保持時(shí)工作氣隙消失，磁路磁阻最小，此時(shí)線(xiàn)圈電流最小。所以在交流電磁鐵的工作過(guò)程中，需要拉動(dòng)動(dòng)鐵運(yùn)動(dòng)即電磁鐵做功時(shí)，電磁鐵的電流最大，而保持動(dòng)鐵在吸合位置即電磁鐵發(fā)熱時(shí)，電磁鐵的電流最小。這種特性使交流電磁鐵的發(fā)熱量很小，不易發(fā)生因線(xiàn)圈溫升造成動(dòng)作不可靠。

而直流電磁閥的電流只與線(xiàn)圈電阻有關(guān)，即吸合和保持時(shí)電磁閥的電流不發(fā)生變化，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間保持會(huì)使線(xiàn)圈溫升很高。通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路或者使用自保持結(jié)構(gòu)可使直流電磁閥得到類(lèi)似交流電磁鐵的電流特性。

2? 直流電磁閥線(xiàn)圈做功過(guò)程分析

直流電磁閥最基本的控制方式為使用開(kāi)關(guān)量的電信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通電時(shí)動(dòng)鐵受到電磁吸力向靜鐵運(yùn)動(dòng)，并保持在吸合位置;斷電后動(dòng)鐵在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位，并靠彈簧力保持在初始位置。在電磁閥在整個(gè)通電吸合過(guò)程中，線(xiàn)圈電壓隨時(shí)間的變化狀態(tài)如圖1，曲線(xiàn)a-b段電壓隨時(shí)間持續(xù)升高，此時(shí)由于線(xiàn)圈電壓小，動(dòng)鐵沒(méi)有開(kāi)始運(yùn)動(dòng);曲線(xiàn)b-c段，電壓隨時(shí)間減小，表明線(xiàn)圈向外做功，即動(dòng)鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng);c-d段動(dòng)鐵運(yùn)動(dòng)到位后電壓上升至驅(qū)動(dòng)電壓并保持。整個(gè)過(guò)程中只有b-c段，電磁閥將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)鐵的動(dòng)能，其他時(shí)間所有電能將轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使電磁閥的溫度持續(xù)上升，這不僅增加了系統(tǒng)的功耗，同時(shí)過(guò)高的溫升將會(huì)降低電磁閥的動(dòng)作可靠性，加速零件老化。

3? 電磁閥保持方式

3.1 通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電壓優(yōu)化

根據(jù)麥克斯韋公式：

式中：

F—銜鐵受到的吸力，N;Φ—通過(guò)銜鐵的磁通，Wb;S—銜鐵的有效面積，mm2;δ—工作氣隙，mm。

可知直流電磁鐵的吸力隨氣隙的減小而呈現(xiàn)類(lèi)似指數(shù)型式的急劇增加（如圖2），而銜鐵運(yùn)動(dòng)過(guò)程中復(fù)位彈簧力變化不大，在電磁閥結(jié)構(gòu)確定的條件下，動(dòng)鐵的吸力與線(xiàn)圈電流的平方成正比，表明直流電磁鐵保持時(shí)所需要的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于動(dòng)作所需要的電流。

因此可以通過(guò)改進(jìn)控制電路，動(dòng)鐵吸合與動(dòng)鐵保持使用兩個(gè)電壓完成。在動(dòng)鐵吸合到位時(shí)減小驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)減小溫升，這種驅(qū)動(dòng)方式稱(chēng)為兩電壓驅(qū)動(dòng)。電磁閥兩電壓驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈的電流由施加在MOS管上的PWM調(diào)制波決定。需要線(xiàn)圈工作時(shí)，加大控制MOS管導(dǎo)通的PWM調(diào)制波，則通過(guò)MOS管與線(xiàn)圈的電流增加，對(duì)電磁閥產(chǎn)生較大的吸力，以保證動(dòng)鐵動(dòng)作的可靠性。此時(shí)線(xiàn)圈的功耗最大，電磁閥處在吸合狀態(tài)。

當(dāng)動(dòng)鐵運(yùn)動(dòng)到位后，調(diào)整PWM調(diào)制波令MOS逐漸減小，使通過(guò)線(xiàn)圈的電流逐漸減小至保持電壓，電磁閥處在保持工況。具體PWM調(diào)制波的調(diào)整范圍根據(jù)電磁閥氣動(dòng)時(shí)所需吸力與保持時(shí)所需吸力的比值確定。

3.2 通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

雙線(xiàn)圈自保持電磁閥多數(shù)是利用稀土永磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)鐵吸合到位后的保持功能，銜鐵的實(shí)際狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)情況主要由上下兩個(gè)線(xiàn)圈的通電的情況決定。雙線(xiàn)圈自保持電磁閥的原理如下（假設(shè)初始狀態(tài)時(shí)銜鐵處在下方，如圖4）：

上下兩線(xiàn)圈均不通電，由于初始狀態(tài)動(dòng)鐵與上靜鐵間的氣隙δ會(huì)產(chǎn)生很大的磁阻，永磁體在導(dǎo)磁殼、下導(dǎo)磁片、下靜鐵與動(dòng)鐵間形成閉合磁路，動(dòng)鐵保持與下靜鐵接觸;上線(xiàn)圈通電時(shí)，線(xiàn)圈在導(dǎo)磁殼、上導(dǎo)磁片、上靜鐵及動(dòng)鐵間形成與永磁鐵反向、且磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于永磁體的閉合磁路，動(dòng)鐵受上線(xiàn)圈與永磁鐵疊加磁場(chǎng)的吸力向上運(yùn)動(dòng)至與上靜鐵接觸。此時(shí)氣隙δ移至動(dòng)鐵與下靜鐵之間，永磁體在導(dǎo)磁殼、上導(dǎo)磁片、上靜鐵與動(dòng)鐵間形成閉合磁路，此時(shí)上線(xiàn)圈斷電，動(dòng)鐵將依靠永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)保持與上靜鐵接觸，實(shí)現(xiàn)自保持功能。下線(xiàn)圈通電，動(dòng)鐵將恢復(fù)至初始位置并依靠永磁體保持。

4? 雙線(xiàn)圈自保持電磁閥計(jì)算

4.1 動(dòng)鐵面積計(jì)算

以圖4所示結(jié)構(gòu)的雙線(xiàn)圈自保持電磁閥結(jié)構(gòu)為例，用磁勢(shì)降估算非工作氣隙磁阻與軟磁材料磁阻。永磁體設(shè)計(jì)的原則為：動(dòng)鐵依靠永磁體保持在上靜鐵端時(shí)，永磁體在動(dòng)鐵與上靜鐵間產(chǎn)生的吸力應(yīng)大于動(dòng)鐵的重力;動(dòng)鐵依靠永磁體保持在下靜鐵端時(shí)，永磁體在動(dòng)鐵與下靜鐵間產(chǎn)生的吸力應(yīng)能保證閥口可靠密封，即：

式中：

Fy—永磁鐵在動(dòng)鐵上的合力，N;k—過(guò)載系數(shù);m—?jiǎng)予F質(zhì)量，kg;g—重力加速度，0.98kg/s;Fm—活門(mén)密封所需密封力，由活門(mén)結(jié)構(gòu)尺寸和介質(zhì)壓力確定，N。

其中：

式中：

δ1、δ2—分別為計(jì)算時(shí)動(dòng)鐵距離上下靜鐵的氣隙，m;R1m—工作氣隙δ1的磁阻，H-1;S1—?jiǎng)予F有效面積，m2;μ0—真空磁導(dǎo)率，4π×10-7，H/m。

根據(jù)式（3）可求出動(dòng)鐵的有效面積S1。

式中：

S2—?jiǎng)予F有效面積，m2;B—工作氣隙磁勢(shì)降，T;F—電磁鐵需克服的反力，N。

當(dāng)S1>S2時(shí)，選擇S1為動(dòng)鐵有效面積，當(dāng)S1

4.2 電磁線(xiàn)圈計(jì)算

線(xiàn)圈磁勢(shì)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

電磁閥在設(shè)計(jì)過(guò)程驅(qū)動(dòng)電壓及最大功率往往是輸入條件，根據(jù)電壓及功率可求得系統(tǒng)可提供的最大電流A，根據(jù)式（6）及電流即可求得線(xiàn)圈的匝數(shù)。

5? 結(jié)論

電磁閥采用自保持結(jié)構(gòu)來(lái)限制線(xiàn)圈溫升能有效的提高其動(dòng)作可靠性，可通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電壓與采用雙線(xiàn)圈自保持結(jié)構(gòu)兩種方法實(shí)現(xiàn)。優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電壓將使控制系統(tǒng)復(fù)雜，雙線(xiàn)圈自保持結(jié)構(gòu)會(huì)使電磁閥本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具體方案應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。雙線(xiàn)圈自保持結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以永磁體和電磁鐵兩種方式計(jì)算動(dòng)鐵有效面積，并選取較大值來(lái)最終確定動(dòng)鐵的結(jié)構(gòu)尺寸。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘英明，高漢平，劉剛.磁性雙位自鎖電磁閥磁路設(shè)計(jì)與分析[J].液壓氣動(dòng)與密封，2010（1）：29-34.

[2]孫曉，欒盈盈，孫柯，樓亞斌.高速雙線(xiàn)圈開(kāi)關(guān)電磁閥控制策略研究[J].液壓與氣動(dòng)，2020（2）：175-182.

[3]宋國(guó)廉.電磁鐵[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1966.

[4]B.a.巴拉古諾夫.航空電氣設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1966.