溫度對電磁閥驅(qū)動影響的計算分析

施穎 潘藝園

（浙江三花汽車零部件有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

電磁閥是一種靠電磁線圈電磁力控制管路系統(tǒng)流體通斷的閥門。隨著汽車工業(yè)、空調(diào)、化工設(shè)備、航天航空等行業(yè)自動化進程的加快，電磁閥以其快速、精準、高效的控制特點，在這些行業(yè)的應用越來越廣泛[1]。電磁線圈是電磁閥的核心動力來源，電磁線圈也可適配不同的電路來工作，是自動化流體控制的基礎(chǔ)元件。近年來，電磁閥的設(shè)計和應用趨于成熟，但在實際應用中存在高溫狀態(tài)下電磁閥開閥能力衰減甚至不滿足開閥壓力差設(shè)計要求的缺陷。

本文重點分析溫度對電磁線圈磁動勢、電磁閥的電磁力和開閥能力的影響，意在得出溫度和電磁閥關(guān)鍵特性的直接關(guān)聯(lián)公式，為后續(xù)電磁閥在不同溫度環(huán)境條件下的應用提供參考。

1 電磁閥結(jié)構(gòu)及運行原理

電磁閥由電磁線圈和閥總成部件配合形成驅(qū)動通斷功能，如圖1所示。電磁線圈一般由線圈骨架、漆包線繞組、絕緣包封層等部分組成[2]，絕緣漆包線繞制于線圈骨架上。閥部件包括動鐵芯、靜鐵芯和復位彈簧。動、靜鐵芯均為軟磁材料，當線圈不通電無磁場時，動、靜鐵芯不帶磁性或磁性很弱；當線圈通電形成磁場時，軟磁材料被勵磁產(chǎn)生磁性，克服彈簧力和靜鐵芯上的壓力差相互吸合。

圖1 電磁線圈及驅(qū)動閥運行原理圖

以常閉直動式電磁閥[3]為例，當線圈未通電時，動鐵芯、靜鐵芯在復位彈簧的作用下，兩者分開，閥口閉合，實現(xiàn)關(guān)閥功能；當線圈通電時產(chǎn)生磁場，使動、靜鐵芯被勵磁相互吸合，閥口打開，實現(xiàn)開閥功能。

磁動勢是衡量電磁線圈性能的主要指標，磁動勢主要取決于漆包線繞制的匝數(shù)、線圈骨架的內(nèi)外徑，同時受線圈溫度、驅(qū)動電壓的影響；電磁力和開閥壓力差是衡量電磁閥性能的主要指標，電磁力除了受線圈因素影響外，還與閥總成內(nèi)部的氣隙長度、氣隙面積相關(guān)；基于電磁力計算的開閥壓力差還與閥總成內(nèi)部閥口尺寸、復位彈簧力相關(guān)。

2 線圈磁動勢和電磁閥電磁力計算

2.1 磁動勢計算

磁動勢是線圈電流I和線圈匝數(shù)N的乘積（IN），又名“安匝數(shù)”。首先分別計算出線圈電流I和線圈匝數(shù)N。

線圈匝數(shù)N取決于線圈骨架的3個參數(shù)H、D1、D2和繞制于骨架上的漆包線線徑d，線圈匝數(shù)的計算公式如下[4]：

式中：H為線圈骨架上漆包線總繞線寬度（mm）；D1為線圈骨架上漆包線繞線軸徑（mm）；D2為線圈骨架上漆包線繞線外徑（mm）；d為漆包線線徑（mm）。

總繞線長度L為：

線圈電阻R為：

式中：ρ為銅的電阻率（mm2/m）；S為漆包線的截面積（mm2）。

線圈繞制完成后，其電阻值R也隨之確定，當電磁線圈的驅(qū)動電壓明確時，電磁驅(qū)動電流可由公式I=U/R計算如下：

磁動勢IN為：

從上述公式分析得出，在其他參數(shù)固定的條件下，磁動勢與電壓成正比關(guān)系，與電阻率成反比關(guān)系。

2.2 磁感應強度和電磁力計算

電磁閥磁動勢降絕大部分在氣隙處，除氣隙外電磁閥其余部分的材料導磁性能均良好，氣隙長度是指動鐵芯從復位位置到吸合位置的運行長度，即行程[5]，行程越長則磁場強度和電磁力相應下降越多，公式可以轉(zhuǎn)化為[4]：

式中：H0為氣隙磁場強度（A/m）；δ為氣隙長度（mm）；B0為氣隙磁感應強度（T）；μ0為磁導率，取4π×10-7H/m。

磁感應強度的計算：

電磁力簡化算法：

式中：S0為氣隙面積（mm2）。

從上述公式分析得出，在其他參數(shù)固定的條件下，電磁力與電壓的平方成正比關(guān)系，與電阻率的平方成反比關(guān)系。

2.3 磁動勢、電磁力與溫度對應關(guān)系計算

當線圈通電時，線圈會發(fā)熱，漆包線電阻率會隨著溫度變化而發(fā)生變化，計算公式為[6]：

式中：T為線圈溫度（℃）

將公式（9）代入磁動勢計算公式（5），得出磁動勢與溫度的計算公式：

式中：U為工作電壓（V）；d為漆包線線徑（mm）；T為線圈溫度（℃）；D1為線圈骨架上漆包線繞線軸徑（mm）；D2為線圈骨架上漆包線繞線外徑（mm）。

將公式（9）代入電磁力計算公式（8），得出電磁力與溫度的計算公式：

式中：U為工作電壓（V）；d為漆包線線徑（mm）；μ0為氣隙磁導率，取4π×10-7H/m；S0為氣隙面積（mm2）；T為線圈溫度（℃）；D1為線圈骨架上漆包線繞線軸徑（mm）；D2為線圈骨架上漆包線繞線外徑（mm）；δ為氣隙長度（mm）。

2.4 開閥壓力差計算

電磁閥設(shè)計需要在不同溫度下均能滿足克服壓力差，達到正常開閥的要求，因此電磁閥的開閥壓力差等同于開閥能力。開閥需要克服復位彈簧力Fs和作用在動鐵芯上的壓差力Fp，壓差力Fp為動鐵芯閥口尺寸do大小和閥口上下壓力差p的乘積，電磁力和開閥壓力差公式轉(zhuǎn)換如下：

式中：Fs為復位彈簧力（N）；Fp為壓差力（N）；do為閥口直徑（mm）；p為開閥壓力差（MPa）。

3 計算示例

計算示例電磁閥參數(shù)如表1所示，分別計算溫度在0～120 ℃區(qū)間范圍變化時，磁動勢、電磁力和開閥壓力差的具體數(shù)據(jù)，并以常溫20 ℃和高溫120 ℃兩個典型溫度點為例進行數(shù)據(jù)分析。

表1 電磁閥示例參數(shù)表

當溫度在0～120 ℃區(qū)間變化時，磁動勢變化如圖2所示，在常溫20 ℃時磁動勢約為691 At，當溫度升高至120 ℃時，磁動勢降低至496 At，計算衰減幅度為28%。

圖2 溫度對磁動勢影響

當溫度在0～120 ℃區(qū)間變化時，電磁力變化如圖3所示，在常溫20 ℃時電磁力約為8.5 N，當溫度升高至120 ℃時，電磁力降低至4.4 N，計算衰減幅度為48%。

圖3 溫度對電磁力影響

當溫度在0～120 ℃區(qū)間變化時，開閥壓力差變化如圖4所示，20 ℃時閥的開閥壓力差p為3.7 MPa，當溫度升高至120 ℃時，開閥壓力差降低至1.4 MPa，計算衰減幅度為62%。

圖4 溫度對開閥壓力差影響

根據(jù)上述計算，磁動勢、電磁力和開閥壓力差在溫度升高時均有大幅下降，當溫度升高至120 ℃時開閥壓力差已經(jīng)低于設(shè)計要求，有兩種解決方案：

方案1：降低適配的閥口尺寸。當閥口尺寸do=1.5 mm時，閥在120 ℃條件下的開閥壓力差為1.4 MPa；當閥口尺寸do降低至1 mm時，閥在120 ℃條件下開閥壓力差達3.1 MPa，在全溫度范圍內(nèi)均能滿足大于2 MPa的開閥壓力差要求，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 閥口尺寸降低至1 mm，溫度對開閥壓力差影響

方案2：提升線圈驅(qū)動電壓。當工作電壓U=12 V時，閥在120 ℃條件下的開閥壓力差為1.4 MPa；當工作電壓U增加至14 V時，閥在120 ℃條件下的開閥壓力差為2.1 MPa，在全溫度范圍內(nèi)均能滿足大于2 MPa的開閥壓力差要求，如圖6所示。

圖6 提升線圈驅(qū)動電壓對開閥壓力差影響

當采用增加電壓的方案進行開閥壓力差提升時，最好適配溫度傳感監(jiān)控，在溫度達到一定范圍時增加電壓，避免全行程增加電壓，從而增加能耗。

4 結(jié)語

本文基于磁動勢、電磁力、繞組電阻率計算公式，分析了溫度對線圈的磁動勢以及電磁閥的電磁力和開閥壓力差的影響，以典型的常溫20 ℃和高溫120 ℃為示例進行計算，磁動勢衰減28%，電磁力衰減48%，開閥壓力差衰減62%。盡管常溫條件下開閥壓力差適配甚至有冗余，但為確保產(chǎn)品可靠性，需要在全溫度運行范圍內(nèi)開閥壓力差均能達到大于2 MPa的標準，因溫升導致的開閥能力衰減，可以通過適配合適的閥口尺寸或增加電壓的方案，確保全溫度范圍內(nèi)驅(qū)動能力達標。