李峰 董娟

摘要：電磁閥的結(jié)構(gòu)簡單，動態(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)部的動鐵在線圈產(chǎn)生的吸力與彈簧力的作用下進(jìn)行運(yùn)動并保持在相應(yīng)的位置。動鐵運(yùn)動過程中電磁閥線圈做功，而靠電磁力保持時(shí)，線圈不做功，線圈將所有的電能轉(zhuǎn)化為熱能，造成溫度升高等各種問題，所以有必要控制動鐵保持時(shí)線圈的功耗。根據(jù)驅(qū)動電壓類型電磁閥可分為直流電磁閥、交流電磁閥兩種。交流電磁鐵在動鐵吸合到位保持的過程中，電流和功耗會自動減小，而直流電磁閥則需要通過優(yōu)化驅(qū)動電路或整體結(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)

中圖分類號：TH137.52+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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，電磁鐵的線圈通電后產(chǎn)生磁場，使鐵磁性材料，即動鐵與靜鐵之間產(chǎn)生電磁吸力，推動動鐵帶動閥門內(nèi)的活門運(yùn)動，從而改變閥門的通斷狀態(tài)。所以在要求功率下可靠動作是電磁閥的首要性能。電磁閥線圈的溫度隨通電時(shí)間而升高的現(xiàn)象稱為線圈溫升，線圈溫升后電阻增加，導(dǎo)致電流及吸力減小，嚴(yán)重影響電磁閥的動作可靠性。所以控制電磁閥的線圈溫升十分必要。通過限制電磁閥驅(qū)動電流是最有效的控制線圈溫升的辦法。

電磁閥按照驅(qū)動電壓類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)動電壓不變的前提下，線圈電流與磁路磁阻成正比，即動鐵未動作時(shí)，動鐵與靜鐵間存在工作氣隙，磁路磁阻最大，線圈的電流最大;當(dāng)動鐵運(yùn)動到位即動鐵保持時(shí)工作氣隙消失，磁路磁阻最小，此時(shí)線圈電流最小。所以在交流電磁鐵的工作過程中，需要拉動動鐵運(yùn)動即電磁鐵做功時(shí)，電磁鐵的電流最大，而保持動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)生因線圈溫升造成動作不可靠。

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

2? 直流電磁閥線圈做功過程分析

直流電磁閥最基本的控制方式為使用開關(guān)量的電信號進(jìn)行驅(qū)動，通電時(shí)動鐵受到電磁吸力向靜鐵運(yùn)動，并保持在吸合位置;斷電后動鐵在復(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)通電吸合過程中，線圈電壓隨時(shí)間的變化狀態(tài)如圖1，曲線a-b段電壓隨時(shí)間持續(xù)升高，此時(shí)由于線圈電壓小，動鐵沒有開始運(yùn)動;曲線b-c段，電壓隨時(shí)間減小，表明線圈向外做功，即動鐵開始運(yùn)動;c-d段動鐵運(yùn)動到位后電壓上升至驅(qū)動電壓并保持。整個(gè)過程中只有b-c段，電磁閥將電能轉(zhuǎn)換為動鐵的動能，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)過高的溫升將會降低電磁閥的動作可靠性，加速零件老化。

3? 電磁閥保持方式

3.1 通過優(yōu)化驅(qū)動電壓優(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)類似指數(shù)型式的急劇增加（如圖2），而銜鐵運(yùn)動過程中復(fù)位彈簧力變化不大，在電磁閥結(jié)構(gòu)確定的條件下，動鐵的吸力與線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)小于動作所需要的電流。

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

當(dāng)動鐵運(yùn)動到位后，調(diào)整PWM調(diào)制波令MOS逐漸減小，使通過線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)電磁閥氣動時(shí)所需吸力與保持時(shí)所需吸力的比值確定。

3.2 通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化

雙線圈自保持電磁閥多數(shù)是利用稀土永磁鐵來實(shí)現(xiàn)動鐵吸合到位后的保持功能，銜鐵的實(shí)際狀態(tài)及運(yùn)動情況主要由上下兩個(gè)線圈的通電的情況決定。雙線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）：

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

4? 雙線圈自保持電磁閥計(jì)算

4.1 動鐵面積計(jì)算

以圖4所示結(jié)構(gòu)的雙線圈自保持電磁閥結(jié)構(gòu)為例，用磁勢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：動鐵依靠永磁體保持在上靜鐵端時(shí)，永磁體在動鐵與上靜鐵間產(chǎn)生的吸力應(yīng)大于動鐵的重力;動鐵依靠永磁體保持在下靜鐵端時(shí)，永磁體在動鐵與下靜鐵間產(chǎn)生的吸力應(yīng)能保證閥口可靠密封，即：

式中：

Fy—永磁鐵在動鐵上的合力，N;k—過載系數(shù);m—動鐵質(zhì)量，kg;g—重力加速度，0.98kg/s;Fm—活門密封所需密封力，由活門結(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)動鐵距離上下靜鐵的氣隙，m;R1m—工作氣隙δ1的磁阻，H-1;S1—動鐵有效面積，m2;μ0—真空磁導(dǎo)率，4π×10-7，H/m。

根據(jù)式（3）可求出動鐵的有效面積S1。

式中：

S2—動鐵有效面積，m2;B—工作氣隙磁勢降，T;F—電磁鐵需克服的反力，N。

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

4.2 電磁線圈計(jì)算

線圈磁勢? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

電磁閥在設(shè)計(jì)過程驅(qū)動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）及電流即可求得線圈的匝數(shù)。

5? 結(jié)論

電磁閥采用自保持結(jié)構(gòu)來限制線圈溫升能有效的提高其動作可靠性，可通過優(yōu)化驅(qū)動電壓與采用雙線圈自保持結(jié)構(gòu)兩種方法實(shí)現(xiàn)。優(yōu)化驅(qū)動電壓將使控制系統(tǒng)復(fù)雜，雙線圈自保持結(jié)構(gòu)會使電磁閥本身的結(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)算動鐵有效面積，并選取較大值來最終確定動鐵的結(jié)構(gòu)尺寸。

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