某型電磁閥高溫啟動電壓特性研究

王晶晶，朱曉萍

(貴航高級技工學校，貴州 貴陽 550009)

電磁閥作為控制系統中的關鍵執行元件之一，其性能品質的優劣直接影響著整個系統的控制品質。隨著科技水平的提高，系統對電磁閥的要求也越來越高，如為提高產品可靠性，采用雙線圈結構，同時保證電磁閥在全溫度范圍內均能可靠工作。由于電磁閥負載反力隨溫度的升高而改變，同時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電壓特性對于提高產品的可靠性是很有必要的。本文以某型電磁閥為例，討論其高溫啟動電壓特性的設計方法。

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口為進油口，B口為出油口。其線圈組件結構如圖1所示。線圈組件在外部激勵電壓的作用下產生磁場，銜鐵在電磁力作用下克服阻力向左運動，此時進口A與出口B相通；當線圈組件無外部電壓激勵時，在銜鐵彈簧作用下，銜鐵處于右端位置將進口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，該電磁閥就能實現上述功能。

圖1 線圈組件結構圖

2 啟動電壓問題的提出

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 ℃，最高工作環境溫度為180 ℃。在對該型電磁閥進行高溫特性檢測過程中，發現當燃油溫度高于80 ℃時出現通斷轉換功能失效問題。隨后對該型電磁閥進行高溫啟動電壓試驗，試驗結果如表1所示。

表1 高溫啟動電壓試驗

由表1可知，常溫下該電磁閥的啟動電壓均不大于16V DC，滿足使用要求，而當試驗溫度高于80 ℃時，該電磁閥的啟動電壓均高于16V DC，不滿足使用要求，且溫度越高其啟動電壓越大。因此為保證電磁閥在常溫及高溫下均工作可靠，需對電磁閥進行改進設計。

3 機理分析

3.1 溫度影響分析

電磁閥的動態特性方程[1]為：

(1)

式中：U-線圈激勵電壓；i-線圈電流；R-線圈電阻，是θ的函數；ψ-電磁閥全磁鏈；δ-電磁閥工作氣隙；B-磁感應強度；μ0-真空磁導率，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，需重點分析溫度對電磁力的影響和溫度對負載反力的影響。

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境溫度、工作介質溫度、線圈發熱功率和線圈散熱能力共同作用的結果。線圈發熱功率計算公式為：

(6)

式中：Pθ-溫度θ下的線圈發熱功率，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-導線的電阻率，單位為歐姆·米(Ω·mm)；Kτ-線圈散熱系數，單位為瓦特每平方米·攝氏度(W/m2·℃)；fτ-線圈填充系數；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，還與線圈結構、電磁閥與周圍環境的熱交換情況等有關，同時線圈工作溫度又反過來影響線圈電阻。

3.3 負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上的工作可靠性，在產品設計時應將電磁閥最高工作溫度時的工況作為設計點。

4 高溫特性設計

通過對電磁閥原理的分析，得到當電磁閥滿足式(10)時其才能可靠工作。

Fx>Ff高溫

即：Fx>(1.8～2.0)(F銜鐵彈簧-F液壓-F擋板彈簧)

(10)

通過計算得出該電磁閥在銜鐵的整個工作氣隙范圍內，高溫時的負載反力為9.96 N。

4.1 電磁力優化計算

由式(1)、式(2)和式(3)可得出：

Fx∝μNiS

(11)

由式(11)得出，電磁力與導磁材料的磁導率、激勵安匝數和有效磁路面積正相關[2]。同時對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，可通過對電磁閥的導磁材料、線圈匝數、線圈電阻和磁路結構進行優化分析，綜合產品可靠性、工藝性及經濟性，設計出最佳結構。

針對本論文所述雙余度電磁閥，要求不改變產品的外形、線圈參數和磁路結構，從產品改進的最優性考慮，將導磁材料的磁導率作為改進方向，從而提高該電磁閥高溫下的啟動電壓特性。

上述某雙余度電磁閥改進前所用軟磁材料為未經熱處理的高導磁率合金材料1J50，為提高電磁力，找出導磁率更高的材料，分別對未進行熱處理的1J50、熱處理后的1J50和熱處理后的1J22進行磁性能檢測，得出其在相同磁場強度下的磁感應強度，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強度下1J50熱處理后和1J22熱處理后的磁導率高于1J50熱處理前的磁導率。根據產品磁路結構，提出導磁材料優選方案，如表2所示。

表2 導磁材料優選方案

為優選出電磁閥在整個工作氣隙范圍內的電磁力大于高溫負載反力9.96 N的方案。應用Maxwell電磁仿真分析軟件對上述4個方案進行電磁力仿真分析，仿真結果如圖3所示?？紤]產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為實施方案。

圖3 方案仿真分析結果

4.2 高溫啟動電壓仿真驗證

為驗證按實施方案改進后產品都能滿足改進目標，應用Maxwell電磁仿真分析軟件對實施方案在180 ℃下的啟動電壓進行仿真分析，仿真結果如圖4所示。

圖4 方案4仿真結果

由圖4可知，改進后產品在高溫下的啟動電壓為7.5V DC，滿足高溫啟動電壓改進目標不大于14V DC的要求。

5 試驗驗證

為驗證改進效果，對改進后2臺產品進行常溫啟動電壓和高溫啟動電壓試驗，并與改進前產品的啟動電壓數據進行對比，如表3所示。

表3 改進前后常溫啟動電壓和高溫啟動電壓試驗

由表3可得出，改進后產品的啟動電壓均比改進前低，且改進后產品滿足不大于16V DC的啟動電壓要求，改進方案有效。

6 結論

綜合以上理論分析和試驗結果證明，電磁閥高溫下的工況嚴苛于常溫條件，因此為保證產品工作可靠性，需重點對電磁閥高溫下的邊界條件進行識別，并將高溫工況作為設計點，同時對于雙余線圈電磁閥在線圈設計時應充分考慮兩線圈工作溫度的差異，應通過分配線圈匝數或線圈電阻進行補償，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計方法對于電磁閥類產品，特別是雙線圈電磁閥產品的設計具有普遍的借鑒意義。