電磁閥自保持功能的分析與設計

李峰 董娟

摘要：電磁閥的結構簡單，動態相應特性良好，因此被廣泛地應用到工業控制的各個領域中。電磁閥內部的動鐵在線圈產生的吸力與彈簧力的作用下進行運動并保持在相應的位置。動鐵運動過程中電磁閥線圈做功，而靠電磁力保持時，線圈不做功，線圈將所有的電能轉化為熱能，造成溫度升高等各種問題，所以有必要控制動鐵保持時線圈的功耗。根據驅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化驅動電路或整體結構改進的方法實現功耗及發熱控制。

關鍵詞：電磁閥;自保持;結構;分析設計

中圖分類號：TH137.52+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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生磁場，使鐵磁性材料，即動鐵與靜鐵之間產生電磁吸力，推動動鐵帶動閥門內的活門運動，從而改變閥門的通斷狀態。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間而升高的現象稱為線圈溫升，線圈溫升后電阻增加，導致電流及吸力減小，嚴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。通過限制電磁閥驅動電流是最有效的控制線圈溫升的辦法。

電磁閥按照驅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，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;當動鐵運動到位即動鐵保持時工作氣隙消失，磁路磁阻最小，此時線圈電流最小。所以在交流電磁鐵的工作過程中，需要拉動動鐵運動即電磁鐵做功時，電磁鐵的電流最大，而保持動鐵在吸合位置即電磁鐵發熱時，電磁鐵的電流最小。這種特性使交流電磁鐵的發熱量很小，不易發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，即吸合和保持時電磁閥的電流不發生變化，導致長時間保持會使線圈溫升很高。通過優化驅動電路或者使用自保持結構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量的電信號進行驅動，通電時動鐵受到電磁吸力向靜鐵運動，并保持在吸合位置;斷電后動鐵在復位彈簧的作用下復位，并靠彈簧力保持在初始位置。在電磁閥在整個通電吸合過程中，線圈電壓隨時間的變化狀態如圖1，曲線a-b段電壓隨時間持續升高，此時由于線圈電壓小，動鐵沒有開始運動;曲線b-c段，電壓隨時間減小，表明線圈向外做功，即動鐵開始運動;c-d段動鐵運動到位后電壓上升至驅動電壓并保持。整個過程中只有b-c段，電磁閥將電能轉換為動鐵的動能，其他時間所有電能將轉化為內能，使電磁閥的溫度持續上升，這不僅增加了系統的功耗，同時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 通過優化驅動電壓優化

根據麥克斯韋公式：

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類似指數型式的急劇增加（如圖2），而銜鐵運動過程中復位彈簧力變化不大，在電磁閥結構確定的條件下，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所需要的電流遠遠小于動作所需要的電流。

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

當動鐵運動到位后，調整PWM調制波令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調制波的調整范圍根據電磁閥氣動時所需吸力與保持時所需吸力的比值確定。

3.2 通過結構優化

雙線圈自保持電磁閥多數是利用稀土永磁鐵來實現動鐵吸合到位后的保持功能，銜鐵的實際狀態及運動情況主要由上下兩個線圈的通電的情況決定。雙線圈自保持電磁閥的原理如下（假設初始狀態時銜鐵處在下方，如圖4）：

上下兩線圈均不通電，由于初始狀態動鐵與上靜鐵間的氣隙δ會產生很大的磁阻，永磁體在導磁殼、下導磁片、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，線圈在導磁殼、上導磁片、上靜鐵及動鐵間形成與永磁鐵反向、且磁場強度遠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動至與上靜鐵接觸。此時氣隙δ移至動鐵與下靜鐵之間，永磁體在導磁殼、上導磁片、上靜鐵與動鐵間形成閉合磁路，此時上線圈斷電，動鐵將依靠永磁體產生的磁場保持與上靜鐵接觸，實現自保持功能。下線圈通電，動鐵將恢復至初始位置并依靠永磁體保持。

4? 雙線圈自保持電磁閥計算

4.1 動鐵面積計算

以圖4所示結構的雙線圈自保持電磁閥結構為例，用磁勢降估算非工作氣隙磁阻與軟磁材料磁阻。永磁體設計的原則為：動鐵依靠永磁體保持在上靜鐵端時，永磁體在動鐵與上靜鐵間產生的吸力應大于動鐵的重力;動鐵依靠永磁體保持在下靜鐵端時，永磁體在動鐵與下靜鐵間產生的吸力應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;m—動鐵質量，kg;g—重力加速度，0.98kg/s;Fm—活門密封所需密封力，由活門結構尺寸和介質壓力確定，N。

其中：

式中：

δ1、δ2—分別為計算時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—真空磁導率，4π×10-7，H/m。

根據式（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S1>S2時，選擇S1為動鐵有效面積，當S1

4.2 電磁線圈計算

線圈磁勢? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

電磁閥在設計過程驅動電壓及最大功率往往是輸入條件，根據電壓及功率可求得系統可提供的最大電流A，根據式（6）及電流即可求得線圈的匝數。

5? 結論

電磁閥采用自保持結構來限制線圈溫升能有效的提高其動作可靠性，可通過優化驅動電壓與采用雙線圈自保持結構兩種方法實現。優化驅動電壓將使控制系統復雜，雙線圈自保持結構會使電磁閥本身的結構復雜，具體方案應根據實際情況進行選擇。雙線圈自保持結構在設計時應以永磁體和電磁鐵兩種方式計算動鐵有效面積，并選取較大值來最終確定動鐵的結構尺寸。

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