江 宇 謝 誼 黃遜青 黃澤典 甘嬋芳

（廣東萬(wàn)和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

隨著人們生活水平的提高，對(duì)家用燃熱產(chǎn)品的性能及安全性的要求也越來(lái)越高，這要求燃?xì)饩弋a(chǎn)品，從整機(jī)到零配件，都需要進(jìn)行技術(shù)提升。電磁閥是燃?xì)饩咝袠I(yè)控制燃?xì)馔〝嗟暮诵膱?zhí)行元件，根據(jù)燃燒工況需求，及時(shí)對(duì)燃?xì)膺M(jìn)行通斷控制。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，燃?xì)怆姶砰y的結(jié)構(gòu)有了一定的改善，各種新工藝也不斷涌現(xiàn)。比如采用倒扣型導(dǎo)磁支架，減少一塊導(dǎo)磁板；或者在線圈組件上，采用了環(huán)氧樹脂膠帶或二次塑封工藝，對(duì)線圈進(jìn)行保護(hù)[1]。

燃?xì)饩邭饴芳捌渑浼?nèi)充滿天然氣、液化氣、人工氣等易燃易爆氣體，一旦泄露，可能造成嚴(yán)重的人員財(cái)產(chǎn)損失[2-3]，因而燃?xì)饩叩陌踩?、可靠性一直是產(chǎn)品質(zhì)量提升的重點(diǎn)?，F(xiàn)行的改善措施雖然能夠?qū)﹄姶砰y起到一定的保護(hù)作用，但僅停留在電磁閥的外圍，并沒(méi)有在本質(zhì)上改善電磁閥的密封性，泄漏風(fēng)險(xiǎn)始終存在[4]。

為解決燃?xì)怆姶砰y存在的氣密性問(wèn)題，本文提出一種新的電磁閥結(jié)構(gòu)，新型電磁閥采用一體成型筒體結(jié)構(gòu)，取消了原有電磁閥中復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)，大大提高電磁閥的密封性和可靠性。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)方案概述

產(chǎn)生泄漏需要兩個(gè)條件，一是相鄰結(jié)合面間有間隙，二是需要密封的兩側(cè)存在一定的壓力差。消除任何一個(gè)因素，均可阻止泄漏[5]。對(duì)燃?xì)怆姶砰y而言，常用的辦法是采用橡膠密封圈，堵塞泄漏通道，消除結(jié)合面間隙。

圖1所示的目前市場(chǎng)上常見的電磁閥結(jié)構(gòu)，其上部區(qū)域?yàn)槿細(xì)鈧?cè)，內(nèi)部充滿可燃?xì)怏w，下部區(qū)域?yàn)榭諝鈧?cè)，直接與空氣接觸。為保證電磁閥氣密性，必須在燃?xì)鈧?cè)和空氣側(cè)的邊界阻斷燃?xì)鈧鬏?。為此，常?guī)電磁閥設(shè)置了多個(gè)密封圈，保證電磁閥氣密性。

新型燃?xì)怆姶砰y結(jié)構(gòu)如圖2，與傳統(tǒng)電磁閥不同的是，采用了一體成型的筒型零件，利用筒型零件的底部和壁面將燃?xì)馀c空氣隔開，從而達(dá)到防止燃?xì)庑孤┑淖饔谩?/p>

1.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

與傳統(tǒng)燃?xì)怆姶砰y相比，新型電磁閥具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）使用一體成型的筒型零件，取消了傳統(tǒng)電磁閥的密封圈，簡(jiǎn)化了電磁閥結(jié)構(gòu)；

2）筒型零件一體成型，氣密性好，大大降低了電磁閥泄漏的風(fēng)險(xiǎn)；

3）新型電磁閥零件數(shù)目比傳統(tǒng)電磁閥減少了40 %，并取消了導(dǎo)磁架和導(dǎo)磁板之間的鉚接工藝，裝配難度降低。

當(dāng)然，新型電磁閥也存在一定的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在零件精度高，對(duì)生產(chǎn)及裝配工藝要求也較高。

1.3 設(shè)計(jì)課題概述

從新型燃?xì)怆姶砰y結(jié)構(gòu)示意圖（圖2）上可以發(fā)現(xiàn)，采用了一體成型的筒型零件后，電磁閥動(dòng)鐵芯、靜鐵芯的形狀均需要改變。而新的動(dòng)、定鐵芯結(jié)構(gòu)改變了電磁閥氣隙，為此必須對(duì)磁路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)分析

2.1 力學(xué)分析

圖3是燃?xì)怆姶砰y安裝示意圖，電磁鐵動(dòng)鐵芯一端設(shè)置于套筒零件內(nèi)部，另一端連接密封帽，通過(guò)彈簧，將密封帽壓在閥口上，實(shí)現(xiàn)密封；電磁鐵動(dòng)鐵芯、靜鐵芯之間為磁路的主氣隙，當(dāng)線圈通電時(shí)，動(dòng)鐵芯帶動(dòng)密封帽，克服彈簧反力，向靜鐵芯方向移動(dòng)，進(jìn)而打開閥門。

套筒零件一方面隔絕燃?xì)?，另一方面在?dòng)、靜鐵芯之間承擔(dān)隔磁作用，使電磁閥在斷電時(shí)在彈簧力作用下迅速?gòu)?fù)位。

電磁閥工作時(shí)閥芯受力情況如圖4。

式中：

Fk—彈簧提供的彈力，N；

G—密封帽和動(dòng)鐵芯的重力，N；

Fe—電磁力，N。

因其受到的反力主要是彈簧力，其反力特性曲線為圖5。

圖1 常規(guī)電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 新型電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 電磁閥安裝示意圖

為實(shí)現(xiàn)電磁閥順利開啟與關(guān)閉，必須根據(jù)其反力特性，設(shè)計(jì)合適的電磁鐵結(jié)構(gòu)，使得電磁鐵吸力特性曲線在開啟時(shí)能克服反力的負(fù)功。

2.2 電磁學(xué)分析

針對(duì)本文提出的新型電磁閥基本結(jié)構(gòu)，對(duì)電磁鐵結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)性，可根據(jù)美國(guó)學(xué)者Roters提出的電磁鐵結(jié)構(gòu)因數(shù)選擇合適的電磁鐵結(jié)構(gòu)[6]。電磁鐵結(jié)構(gòu)因數(shù)定義如下：

式中：

F—有效行程初始位置電磁力，N；

δ—有效行程，cm；

根據(jù)輸入條件，按最大氣隙計(jì)算電磁閥結(jié)構(gòu)因數(shù)K，按圖6[7]選擇合適的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，由圖中得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度比實(shí)際偏大，因此，最終確定磁感應(yīng)強(qiáng)度B應(yīng)比圖中選擇的偏小。

根據(jù)麥克斯韋方程可以得到電磁吸力方程：

通過(guò)電磁力方程可推算出鐵芯有效端面截面積為：

有效直徑：

式中

φ—磁通量，Wb；

B—磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

μ0—真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m；

S—有效截面積，m2；

D—有效直徑，m；

下面通過(guò)磁路分析[8]來(lái)確定電磁鐵所需要的安匝數(shù)，圖7是電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖，圖8是電磁鐵的等效磁路。

忽略漏磁通和鐵芯磁飽和的影響，磁導(dǎo)主要由三個(gè)部分組成，第一部分是動(dòng)鐵芯和導(dǎo)磁環(huán)之間的磁導(dǎo)G0，第二部分是動(dòng)鐵芯底部與定鐵芯凹面的磁導(dǎo)Gb，第三部分是動(dòng)鐵芯與定鐵芯直壁的磁導(dǎo)Gg。

動(dòng)鐵芯和導(dǎo)磁環(huán)之間的磁導(dǎo)：

圖4 電磁閥受力分析圖

圖5 電磁閥反力特性曲線

圖6 結(jié)構(gòu)因數(shù)與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

動(dòng)鐵芯底部與定鐵芯凹面的磁導(dǎo)：

動(dòng)鐵芯與定鐵芯直壁的磁導(dǎo)：

總磁導(dǎo)為：

式中：

R—?jiǎng)予F芯半徑，mm；

h—導(dǎo)磁環(huán)高度和導(dǎo)磁板厚度之和，mm；

d—?jiǎng)虞S與導(dǎo)磁板之間的間隙，mm；

δ—電磁閥額定行程，mm；

x—?jiǎng)予F芯移動(dòng)的距離，mm；

根據(jù)計(jì)算，需要由線圈提供的磁通量為：

則磁勢(shì)為：

確定磁勢(shì)后，即可以對(duì)線圈進(jìn)行設(shè)計(jì)。

線圈內(nèi)徑為：

式中：

Rj—靜鐵芯半徑，mm；

t1—靜鐵芯與線圈骨架的單邊間隙，mm；

b1—線圈骨架厚度，mm；

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步選取線圈內(nèi)徑與外徑的比值為0.56，則線圈外徑為：

根據(jù)電壓方程確定產(chǎn)生足夠電動(dòng)勢(shì)的導(dǎo)線直徑、線圈匝數(shù)、線圈電流等參數(shù)。

線圈電壓方程：

式中：

U—額定電壓，V；

I—電流，A；

Rx—線圈電阻，

N—線圈匝數(shù)，匝；

ρx—線圈電阻率，Ω·mm2/m；

圖7 電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 電磁鐵磁路示意圖

Dx—線圈平均直徑，mm；

qx—單根銅導(dǎo)線截面積，mm2；

單根銅導(dǎo)線直徑為：

線圈長(zhǎng)度為：

式中

P—線圈工作制，長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)P=1；

fk—線圈填充系數(shù)；

bx—線圈寬度，mm；

θ—線圈最高允許溫升，K；

則線圈匝數(shù)為：

通過(guò)以上計(jì)算，初步得出電磁鐵的基本參數(shù)。其他參數(shù)，如線圈骨架其他部分的厚度、安裝位置尺寸、動(dòng)鐵芯安裝口尺寸等可按常規(guī)電磁閥設(shè)計(jì)方法得到，此處不再詳細(xì)說(shuō)明。

2.3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

試制后對(duì)電磁閥進(jìn)行測(cè)試，將電磁閥安裝在測(cè)試工裝上，保證其裝閥深度，向電磁閥通入一定壓力的空氣，測(cè)試閥門開啟和關(guān)閉時(shí)的線圈電壓。經(jīng)測(cè)試開閥電壓約15.5 V，釋放電壓約5.5 V，符合設(shè)計(jì)要求。

電磁鐵吸合時(shí)的電磁力隨輸入電壓變化如圖9，隨輸入線圈的電壓增加，電磁力增加。

電磁鐵行程力曲線如圖10，隨著動(dòng)鐵芯從吸合位置遠(yuǎn)離靜鐵芯，電磁力呈現(xiàn)先下降、再維持穩(wěn)定，最終再下降的趨勢(shì)。

對(duì)電磁閥進(jìn)行耐久測(cè)試，檢驗(yàn)電磁閥長(zhǎng)時(shí)間工作后電磁性能的變化。測(cè)試時(shí)，向電磁線圈中通入24 V電壓維持2 s，斷開電源維持2 s，此過(guò)程循環(huán)一次記為1個(gè)開關(guān)閥周期，輸入電壓示意圖如圖11。測(cè)試過(guò)程中，每10萬(wàn)個(gè)循環(huán)測(cè)試一次開關(guān)閥性能和氣密性。開關(guān)閥性能測(cè)試結(jié)果如圖12。閥體泄漏量保持在5 ml/h以下。新型電磁閥電氣性能穩(wěn)定，氣密性優(yōu)良。

圖9 電磁鐵“電壓-力”曲線

圖10 電磁鐵“行程-力”曲線

圖11 耐久測(cè)試電壓輸入示意圖

圖12 電磁鐵性能隨測(cè)試次數(shù)變化曲線

2.4 討論

在電壓-力曲線中，電磁力隨著輸入電壓的增加而增加，根據(jù)電磁力計(jì)算公式，隨著電流（電壓）增加，電磁力應(yīng)按照平方的趨勢(shì)增加，然而，在測(cè)試結(jié)果中并沒(méi)有明顯表現(xiàn)出來(lái)。這主要是由于測(cè)試過(guò)程參數(shù)設(shè)定帶來(lái)的，測(cè)試中使用的是固定電壓輸入，電流在其中只是一個(gè)間接量。根據(jù)歐姆定律可以計(jì)算出電流值，然而，隨著測(cè)試的進(jìn)行，線圈開始發(fā)熱，電阻增加，電流下降，造成實(shí)際輸入電磁鐵的安匝數(shù)下降，曲線也隨著下降。

在行程-力曲線中，電磁鐵吸力呈現(xiàn)了降低-維持-降低的趨勢(shì)。這是由電磁鐵磁路變化特性決定的。簡(jiǎn)單而言，定鐵芯的特殊結(jié)構(gòu)使得磁路分為兩個(gè)支路G1、G2，其中G1經(jīng)靜鐵芯底部與動(dòng)鐵芯底部，G2經(jīng)靜鐵芯直壁和動(dòng)鐵芯底部。其中G1產(chǎn)生的磁力隨行程的增加而下降，G2產(chǎn)生的磁力隨行程增加先增加后下降，最終綜合得到了降低-維持-降低的行程-力曲線。

從測(cè)試結(jié)果上看，電磁閥性能優(yōu)良，經(jīng)過(guò)百萬(wàn)次測(cè)試后電磁性能（由開關(guān)閥電壓體現(xiàn)）無(wú)明顯變化。此外，新型電磁閥采用套筒隔絕氣體，試驗(yàn)結(jié)果表明套筒零件的可靠性高，氣密性良好。

3 結(jié)論

由于新型燃?xì)怆姶砰y利用一體成型筒體結(jié)構(gòu)，使得在氣密性方面具備了本質(zhì)安全的特征，常規(guī)結(jié)構(gòu)所配備的部分密封結(jié)構(gòu)可以省略。初步的設(shè)計(jì)驗(yàn)證表明，新型電磁閥的氣密性得到顯著改善，外部泄漏率接近為零，安全性顯著提高；同時(shí)運(yùn)行性能能夠長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，具備高可靠性的優(yōu)勢(shì)，在經(jīng)過(guò)100萬(wàn)次動(dòng)作的耐久性試驗(yàn)之后，主要技術(shù)性能基本保持不變。

由于新結(jié)構(gòu)改變了原有的力學(xué)和電磁學(xué)設(shè)計(jì)要求，在新型電磁閥設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行的一系列的研究和驗(yàn)證，形成了與新結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，隨著設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作的深入，相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范將逐步完善。通過(guò)新方案的實(shí)施，為燃?xì)怆姶砰y的開發(fā)指出了新的開發(fā)思路，對(duì)提升電磁閥質(zhì)量和可靠性具有重要意義。