比例电磁阀电磁设计流程

1. 比例电磁铁的结构原理
比例电磁铁结构主要由衔铁、导套、极靴、壳体、线圈、推杆等组成。

其工作原理是：磁力线总是具有沿着磁阻最小的路径闭合，并有力图缩短磁通路径以减小磁阻，如图1。

图1 比例电磁铁的剖面图
普通电磁铁就是一个开关量，不是开就是关，关的时候开口最小，开的时候开口最大，没有办法调节；比例电磁铁是根据给定电流的大小决定阀开口的大小，是一个连续的过程。

比例电磁铁和普通的电磁铁区别就是比例电磁铁是普通电磁铁加一个弹簧，可以使比例电磁铁输出的力和电流成比例关系，和位移无关，所以比例电磁铁必须具有水平吸力特性，即在工作区内，其输出力的大小只与电流有关，与衔铁位移无关。

若电磁铁的吸力不显水平特性，弹簧曲线与电磁力曲线族只有有限的几个交点，这意味着不能进行有效的位移控制。

在工作范围内，不与弹簧曲线相交的各电磁力曲线中，对应的电流在弹簧曲线以下，不会引起衔铁位移；在弹簧曲线以上时，若输出这样的电流，电磁力将超过弹簧力，将衔铁一直拉到极限位置为止。

相反，若电磁铁具有水平特性，那么在同样的弹簧曲线下，将与电磁力曲线族产生许多交点。

在这些交点上，弹簧力与电磁力相等，就是说，逐渐加大输入电流时，衔铁能连续地停留在各个位置上。

图2 比例电磁铁的电流-力-行程关系
比例电磁铁要求在一定的位移范围内，衔铁的输出力为一准恒定值，如图2所示。

根据电磁铁基本工作原理，在衔铁运动过程中，磁阻会越来越小，衔铁受力越来越大，不会出现输出力恒定的情况，为了使电磁铁能在一定位移内输出近视恒定的力，电磁铁采用结构的特殊—隔磁环。

隔磁环采用非导磁材料——通常为黄铜，嵌在前后导套的中间，减少电磁铁即将闭合时急剧增大的电磁力，使整个电磁力变的平稳。

导套前段和极靴组合，形成带锥形端部的盆形极靴，导套和外筒间配置同心螺线管式控制线圈。

外壳采用导磁材料，以形成磁回路。

同时为了衔铁可以左右运动，在左端有挡板，在右端装有弹簧组成的调零机构。

2. 比例电磁铁的特性
2.1 电磁力
当给比例电磁铁控制线圈通入一定电流时，在线圈电流控制磁势左右下，形成两条磁路，如图3所示，一条磁路1φ由前端盖经盆形极靴底部沿轴向工作气隙进入衔铁，穿过导套后段、导磁外壳回到前端盖极靴，产生轴向力1M F ；另一条磁路2φ经盆形极靴锥形周边（导套前段）径向穿过工作气隙，再进入衔铁，而后与1φ汇合形成附加轴向力2M F ，二者综合得到比例电磁铁输出力M F ，如图2所示电流-力-行程特性，在比例电磁铁衔铁的整个行程区内，电磁力特性并不全是水平曲线，可将其分为3个区域。

在工作气隙接近于零的区域，输出力急剧上升，称为吸合区，比例电磁铁在这一区域不能正常工作，一般在结构上采用非导磁材料限位片将其排除；当工作气隙过大时，电磁铁输出力明显下降，这一区域称为空行程区域，这一区域电磁铁虽然也不能正常工作，但有时是需要的；在吸合区和空行程区之间的区域，具有近似的水平力-位移特性，这一区域称为工作区。

图3 比例电磁铁的磁路分布
1φ产生的端面力为：
2φ产生的轴向附加力为：
图4 不同位置电磁铁内部磁力线分布2.2 影响电磁力的因素 电磁力的大小为S Ni S F M 0202)(2121μδ
μφ==，与线圈匝数平方成正比，与气隙间隙平方成反比。

在电磁阀其它结构参数和驱动电流以及气隙宽度大小相同时，线圈匝数越多，气隙的磁场强度就越强，则气隙磁感应强度也越大，电磁吸力也就越大。

但实际上线圈匝数不是越多越好，随着匝数的增加，会使线圈电感和线圈电阻增大，从而在衔铁吸合初始阶段限制了驱动电流的迅速增大，在释放过程中使电流衰减速度变慢。

电磁阀气隙宽度包括衔铁工作行程和残余间隙宽度两个部分。

当衔铁完全开启时，此时气隙宽度等于衔铁工作行程和残余间隙宽度之和。

当衔铁完全吸合时，气隙宽度等于残余间隙宽度。

随着气隙宽度的增大，将使电磁吸力减小。

衔铁工作过程中，气隙宽度减小，有利于电磁阀的打开。

在残余间隙不变的前提下，如果衔铁工作行程增加，则在关闭过程和重新打开过程的时间增加，电磁力增加速度平缓，电磁阀的动态特性变差。

驱动电路的形式及参数直接决定线圈电流波形，并极大地影响电磁阀的响应速度。

驱动电压为24V时，电磁阀响应时间为0.4ms，当驱动电压为48V时，电磁阀响应时间为0.25ms，驱动电压的升高对电磁阀的响应速度有着明显的影响。

不过，驱动电压从48V到100V之间，响应时间的提高率为o.02ms/2OV，驱动电压从100V提高到120V，响应时间缩减的幅度更小了，仅为0.01ms。

3. 比例电磁铁的控制
比例阀是由计算机，放大器，比例电磁铁，锥度台阶的阀芯，入口压力补偿阀（单联可以不要），梭阀，内置卸荷阀（把多余的流量送回油箱）等构成的一个完整的体系。

精确控制执行机构的位移，最好的办法是用比例流量阀。

比例方向阀只能起到节流阀作用，当负载压力变化时流量会变化，而比例流量阀的流量不遂负载压力变化，开口调定好流量基本不变化。

现在的比例换向阀用的都是电-液比例复合控制。

首先，比例阀必须有一个配套的放大器，它接受来自于计算机或者PLC，或者电位器（滑动变阻器）的控制信号，把0-20毫安微弱的信号放大到0-800毫安。

然后，放大器把放大的信号传送到电磁阀，电磁阀依据传来的信号大小，克服弹簧力，调节推杆的行程，压力随信号变化的控制油。

再后，控制油到达主阀芯的两端，依据不同的压力，推动阀芯移动相应的行程，因为阀芯本身有锥度的台阶与阀体组合，不同的行程得到不同的过流面积，再入口压力稳定的情况下，得到不同的流量，最终实现比例功能。

控制比例阀的比例放大器具有深度电流负反馈的电子控制放大器，其输出电流和输入电压成正比，采用直流稳压源，利用PWM斩波控制技术调整输入电压。

比例放大器一般都带有颤振信号发生器和零区电流跳跃等功能。

4. 比例电磁铁的设计
设计电磁铁的一般步骤：首先根据电磁吸力的要求及衔铁结构形式估算衔铁直径，然后估算线圈的外径及长度、确定线圈的匝数、磁势等，最后是确定整个磁路结构。

4.1 设计要求
最大电磁吸力Fmax=80N，初始气隙4mm，衔铁的推杆直径2.9mm，线圈两端的电压24VDC，线圈允许温升[θ]=70℃。

4.2 结构形式
整体采用湿式结构，如图5所示，电磁铁的导套是一个密封筒状结构，可以承受一定的液压力，衔铁上开有两个导油孔，工作时处于油液润滑状态，具有一定阻尼作用而减少了冲击和噪声。

线圈和外壳处于干的状态，可以分别拆卸。

湿式电磁铁具有吸合声音小，散热快，可靠性好，效率高，寿命长等优点。

4.3 材料选择
电磁铁所使用的软磁材料应具有高的磁导率、高的饱和磁感应强度和低的矫顽力。

由于该比例电磁铁才用湿式结构，各主要元件与液压油直接接触，因此，所选用材料除了具有良好的导磁性外，还应有良好的耐腐蚀性。

根据磁路走向及电磁铁结构布置，衔铁、前后导套、线圈外壳、端盖均采用耐腐蚀软磁合金材料，隔磁环采用黄铜，调节弹簧采用奥氏体不锈钢。

图5 Rexroth 4WAR6E 比例电磁铁剖面图
4.4 几何尺寸计算
静铁芯和衔铁的结构采用“大铁芯小衔铁”的原则；
4.4.1复位弹簧设计
由于负载工进时阀芯受液压卡紧力大于负载快进时所受的卡紧力，复位弹簧的预紧力必须要保证能克服最大卡紧力使衔铁复位。

设计预紧力为F0=18N，初取弹簧刚度k=10N/m，则最大弹力为F Max=48N。

材料选用奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti。

4.4.2衔铁设计
为了使阀芯运动可靠，电磁铁最大推力F tmax应大于最大弹簧弹力、最大液压卡紧力、最大液动力和摩擦力之和，选取负载快进时阀芯的受力情况来计算，得F tmax=80N。

导套设计
衔铁设计
线圈设计
图3给出了导套和隔磁环的截面图，图中D代表导套和隔磁环的厚度，D=0.22mm，L代表隔磁环长度，L=0.3mm，a和θ分别为隔磁环和导套前、后端的倾角，a=0°，θ=48°，h 和L分别是导套后端结构尺寸，h=3mm，L=1.3mm。

图3 隔磁环（焊铜）
电磁线圈的直径、热扩散系数，阻抗之间相互关联，增加线圈直径可以减小电阻，但是随着线圈阻抗的降低，线圈的发热损耗会增加，造成阀内温度升高，使得阀中油液粘性降低，加剧了摩擦损耗。

同时随着线圈直径的增大，线圈的始动安匝数也减小，电感也相应减小，这样会影响到线圈其它性能参数(如出力不够等等)。

线性度、滞环的定义，按一般控制理论的定义，例如滞环大体就是在输入电流为横坐标、输出电磁力为纵坐标的图面上（控制特性），电流从零到最大、以及从最大回到零一个变化周期中，上升电流与下降电流相等点上输出电磁力的最大差值，除以最大输出力之值的百分数。

在做电磁铁控制特性滞环、线性度时，是在电磁铁一定位移下测量输出力与输入电流的关系。

不同电磁铁位移，会有所差异。

隔磁环专业名叫分磁环，只有交流加隔磁环才有意义，或者说隔磁环是为交流电磁铁而设计的，直流电磁铁铁芯上加隔磁环与在其上设计一个环槽是一个效果，说白了隔磁环就是气隙，会降低闭合时的吸力！在直流电磁铁上加入隔磁环目的就是为了减少电磁铁即将闭合时急剧增大的电磁力，使整个电磁力变的平稳。

材料用黄铜或是紫铜，最好是采用摩擦焊接技术，采用此技术焊接后的机械性能比较好，物件内应力小。

一般用于比例或者耐高压阀中。