大行程比例电磁铁
比例控制内容
参考书：黎启柏《电液比例控制与数字控制系统》比例阀开关控制与比例控制比例系统的组成指令元件、比较元件、放大器、比例阀、执行元件、反馈元件一、比例控制技术作为开关控制技术和闭环调节（伺服）技术之间的连接纽带，比例控制技术在现今的液压技术中已有其明确的含义。
比例控制技术的优点，首先在于其转换过程是可控的，设定值可无级调节，达到一定控制要求所需的液压元件较少。
其次降低了液压回路的材料消耗。
使用比例阀可方便迅速、精确地实现工作循环过程，满足切换过程要求。
通过控制切换过渡过程，可避免尖峰压力，延长机械和液压元件的寿命。
用来控制方向、流量和压力的电信号，通过比例器件直接加给执行器，这样使液压控制系统的动态性能得到改善。
那么，如何理解液压技术中比例技术的含义呢？首先用图3.1的信号流程图来加以说明：根据一个输入电信号电压值的大小，通过电放大器，将该输入电压信号（一般在0~±9V之间）转换成相应的电流信号，如10mV=1mA。
这个电流信号作为输入量被送入电磁铁，从而产生和输入信号成比例的输出量——力或位移。
该力或位移又作为输入量加给液压阀，后者产生一个与前者成比例的压力或流量。
通过这样的转换，一个输入电压信号的变化，不但能控制执行器和机械设备上工作部件的运动方向，而且可对其作用力和运动速度进行无级调节。
另外，还能对相应的时间过程，例如在一段时间内流量的变化，加速度的变化或减速度的变化等进行无级调节。
二.比例阀1.比例电磁铁比例电磁铁是电子技术与液压技术的连接环节。
比例电磁铁是一种直流行程式电磁铁，它产生一个与输入量(电流)成比例的输出量：力和位移。
按实际使用情况，电磁铁可分为：a）行程调节型电磁铁——具有模拟量形式的位移电流特性。
b）力调节型电磁铁——具有特定的力电流特性。
电磁铁能产生与输入电流成比例变化的输出位移和力。
1.1力调节型电磁铁在力调节型电磁铁中，由于在电子放大器中设置电流反馈环节，在电流设定值恒定不变而磁阻变化时，可使磁通量不变进而使电磁力保持不变。
一种比例电磁铁控制电路的设计
第4期2011年4月工矿自动化Industry and M ine A ut omatio nNo.4 Apr.2011文章编号:1671-251X(2011)04-0074-03一种比例电磁铁控制电路的设计赵江辉, 王淑红(太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原 030024)摘要:采用AT89S51单片机设计了一种比例电磁铁控制电路。
该电路首先由AD 转换电路将采集到的模拟量信号转换为数字量后输入AT89S51进行处理,AT 89S51输出的PWM 信号经功率转换电路处理后作用于比例电磁铁,从而控制比例电磁铁动作。
调试运行结果验证了该电路的有效性。
关键词:比例阀;比例电磁铁;单片机控制;压力传感器 中图分类号:TD679 文献标识码:BDesign of a Cont rol Circuit of Proport ional SolenoidZH AO Jiang hui, WA NG Shu hong(College of E lectr ical and Pow er Engineering of T aiyuan University of T echnolo gy,Taiyuan 030024,China)Abstract :T he paper introduced a design o f co ntro l circuit o f pr opo rtio nal so lenoid based on AT89S52sing le chip micr ocom puter.T he circuit uses ADC circuit to conv er t collected analog signals into dig ital sig nals for further pr ocession by AT89S51,and PWM sig nal output by AT 89S51to make propo rtio nal solenoid act after processio n of po w er conversio n circuit.The debug ging and running results show ed validity of the circuit.Key words :proportional valve,proportional so lenoid,co ntrol by single chip microcomputer,pressur e senso r 收稿日期:2010-12-20基金项目:山西省自然科学基金资助项目(2008012005-1)作者简介:赵江辉(1986-),男,山西吕梁人,硕士研究生,研究方向为电机与电器。
比例电磁铁
比例电磁铁的结构
它的工作范围较窄， 仅适用于行程较小 的电液比例压力阀。 工作特性是上图的
曲线3
增加了轭铁1, 减少了漏磁通， 稳
住了螺管力， 因而工作特性 曲线如上图的 曲线3。
锥底结构螺管电磁铁 1-轭铁 2-外壳 3-线圈 4-锥底止座
比例电磁铁的结构
电磁 吸力
盆底止座结构的比例电磁铁 1-衔铁 2-上轭铁 3-底面 4-隔磁环 5-锥面
普通电磁铁与比例电磁铁的静态吸力特性。静态吸力特性 就是在稳态过程中得到的吸力特性。
静态吸力特性只是衔铁无限缓慢移动时的一种特例。
2-比例电磁铁 可以看出：比例电磁铁的 输出电磁力在整个工作行程
内基本上保持恒定。
比例电磁铁在不同输入电流下的力—位移特性曲线， 可见电磁力与输入电流之间的关系是线性关系。
在其工作行程内的任何位置上，电磁力只取决于输入电流。
普通电磁铁的结构
电磁铁在吸合过程中，产生两个磁通：主磁通 和漏磁通L 。衔铁受到的吸力由两部
分构成：主磁通产生端面力，漏磁通产生螺管力。这两个力的方向是一致的（向左）
F螺管力 F端面力
衔铁运动时， 主气隙是不断 减小的，因而 主磁通逐渐增 加，而漏磁通 就不断减小， 也即是螺管力 与端面力之比 不断变化，在 处，漏磁通与 主磁通相比， 其值很小，螺 管力趋于零。
最大输出力为65～80N有效 行程。
力控制型比例电磁铁及其电器控制 1-比例电磁铁 2-给定电位计 3-比例电控器
在用作位置输出控制时 行程为3～5mm。
比例电磁铁的维护
比例电磁铁多数为湿式，也有干式比例电 磁铁，不同厂家的湿式比例电磁铁中耐油 压的程度也不尽相同，多数为耐35 MPa的 静压。
基于Ansoft的比例电磁铁电磁力的有限元分析
收稿日期:2009203220作者简介:张 齐(1984-),男,辽宁海城人,沈阳化工学院硕士研究生。
第27卷第3期2009年7月沈阳师范大学学报(自然科学版)Journal of S henyang Norm al U niversity (N atural Science )V ol.27N o.3J ul.2009文章编号:1673-5862(2009)03-0306-04基于Ansoft 的比例电磁铁电磁力的有限元分析张 齐(沈阳化工学院信息工程学院,辽宁沈阳 110142)摘 要:在Ansoft 的Maxwe112D 有限元软件中建立模型,分析比例电磁铁固定铁芯与可动铁芯锥面形状、吸合面位置、磁性材料对电磁铁电磁力的影响。
计算表明不同的锥面形状、不同的锥面长度和厚度、吸合面位置在零点之上、选用高饱和磁感应强度的材料可获得较好电磁力,计算结果可以用于比例电磁铁的优化设计。
关 键 词:Ansoft ;比例电磁铁;固定铁芯;可动铁芯;吸合面位置;磁性材料中图分类号:TM 503 文献标志码:A0 引 言比例电磁阀具有对油质要求不高、控制性能好的优点,在电控喷油系统、流量控制系统中得到越来越广泛的应用。
比例电磁铁为比例电磁阀的关键部件,其功能是将输入的电流信号,转换成力或位移信号输出,其轴向推力与线圈电流成正比例[122]。
比例电磁铁在其工作行程内,电磁力很大程度上保持不(a )开关电磁铁;(b )比例电磁铁图1 力2位移特性曲线变,以此区别于普通开关式电磁铁。
如图1所示,这种吸力特性,是通过工作气隙的特殊造型和导磁体磁力的引导而形成。
开关式和比例式电磁铁的差别并不完全取决于电磁铁本身,比例电磁铁通最大电流时相当于开关式电磁铁,开关式电磁铁通不同的电流时也会产生不同的推力[3]。
Maxwe112D 是Ansoft 系统中设计电磁铁内容的重要组成部分,是一个功能强大、计算精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件,可用来分析电磁铁尺寸、边界条件、磁场力、磁通密度等。
吸合面位置对比例电磁铁行程-力特性的影响
吸合面位置对比例电磁铁行程-力特性的影响赵继国;冀宏【摘要】建立了比例电磁铁有限元仿真模型,在考虑衔铁尾部端面位置的情况下,利用Ansoft Maxwell2D电磁场有限元仿真软件,分析了吸合面位置对比例电磁铁行程-力特性的影响.仿真结果表明:衔铁尾部端面位置不变时,吸合面位置对比例电磁铁行程-力特性的影响较小.衔铁长度不变时,随着吸合面位置的前移,比例电磁铁行程-力特性水平程度变差,工作行程内电磁力减小,且衔铁越短,工作行程内电磁力的减小程度越显著.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】4页(P105-108)【关键词】比例电磁铁;吸合面;行程-力特性;Ansoft【作者】赵继国;冀宏【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;甘肃省液压气动工程技术研究中心,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;甘肃省液压气动工程技术研究中心,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TH137比例电磁铁作为电液比例阀最常用的关键电-机械转换元件，具有推力大、结构简单、对油质的清洁度要求不高、维修方便和成本低廉等优点[1]。
其主要功能是将比例控制放大器输出的电信号转换成与之成比例的力或位移，轴向推力与输入电流成正比(稳态电流-力特性)，且在工作行程内保持恒定(水平行程-力特性)[2]。
比例电磁铁的性能直接决定电液比例控制阀以至整个系统的工作性能[3]。
影响比例电磁铁行程-力特性的因素很多，良好的行程-力特性很难得以保证。
近年来，国内外诸多研究人员对影响比例电磁铁行程-力特性的因素开展了相关的研究。
衔铁和极靴作为比例电磁铁重要的组成部分，二者吸合面的位置对比例电磁铁行程-力特性有重要的影响。
文献[4-5]研究了衔铁、极靴端面的形状对比例电磁铁行程-力特性的影响，文献[6-7]研究了衔铁与极靴端面倾角大小对比例电磁铁行程-力特性的影响，文献[8]在忽略了衔铁尾部端面位置的情况下，研究了比例电磁铁固定铁芯和可动铁芯吸合面位置对比例电磁铁电磁力的影响，得到的一些结论为设计和优化比例电磁铁提供了一定的参考依据。
比例电磁铁概述
比例电磁铁概述比例电磁铁作为电液比例控制元件的电一机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输给的电流信号转换成力或位移。
比例电磁铁推力大、结构简单，对油质要求不高，维护方便，成本低廉，衔铁腔可做成耐高压结构，是电液比例控制技术中应用最广泛的电一机械转换器。
比例电磁铁的特性及工作可靠性，对电液比例控制系统和元件具有十分重要的影响，是电液比例控制技术关键部件之一。
电液比例控制技术对比例电磁铁提出了一定的要求，主要有:1)水平的位移一力特性，即在比例电磁铁有效工作行程内，当线圈电流一定时，其输出力保持恒定。
2)稳态电流一力特性具有良好的线性度，较小的死区及滞回。
3)阶跃响应快，频响高。
比例电磁铁的结构和工作原理虽然目前国内外市场中比例电磁铁的品种繁多，但其基本的结构和原理大体相同。
图1所示即为一典型的耐高压比例电磁铁的基本结构。
图1 比例电磁铁结构图图2比例电磁铁力-位移特性图由图1可知，典型的耐高压比例电磁铁主要由导套、衔铁、外壳、极靴、线圈、推杆等组成。
导套前后两段为导磁材料，中间则用一段非导磁材料(隔磁环)焊接。
导套具有足够的耐压强度(约可承受35MPa的静压力)。
导套前段和极靴组合，形成带锥型端部的盆型极靴，其相对尺寸决定了比例电磁铁稳态特性曲线的形状。
导套和壳体之间配置同心螺线管式控制线圈。
衔铁的前端装有推杆，用以输出力或位移;后端装有弹簧和调节螺钉组成的调零机构，可以在一定范围内对比例电磁铁特性曲线进行调整。
比例电磁铁一般为湿式直流控制，与普通直流电磁铁相比，由于结构上的特殊设计，使之形成特殊的磁路，从而使它获得基本的吸力特性，即水平的位移一力特性，与普通直流电磁铁的吸力特性有着本质区别。
比例电磁铁的磁路，在工作气隙附近被分成两部分Φ1和Φ2，如图３(a)所示。
其中，一条磁路中Φ1由前端盖盆型极靴底部，沿轴向工作气隙，进入衔铁，穿过导套后段和导磁外壳回到前端盖极靴，产生轴向推力(端面力)F1;而另一磁路Φ2经盆型极靴锥形周边(导套前段)，径向穿过工作气隙进入衔铁，而后与Φ1汇合，产生轴向附加力F2。
单向比例电磁铁
单向比例电磁铁典型的耐高压单向比例电磁铁结构原理图如图1所示，它主要由推杆1、衔铁7、导向套10、壳体11、轭铁13等部分组成。
导向套10前后两段为导磁材料（工业纯铁），导向套前段有特殊设计的锥形盆口。
两段之间用非导磁材料（隔磁环9）焊接成整体。
筒状结构的导向套具有足够的耐压强度，可承受35MPa的液压力。
壳体11与导向套10之间配置同心螺线管式控制线圈3。
衔铁7前端所装的推杆1用以输出力或位移，后端所装的调节螺钉5和弹簧6组成调零机构。
衔铁支撑在轴承上，以减小粘滞摩擦力。
比例电磁铁通常为湿式直流控制（内腔要充入液压油），使其成为衔铁移动的一个阻尼器，以保证比例组件具有足够的动态稳定性。
工作时，线圈通电后形成的磁路经壳体、导向套、衔铁后分为两路，一路由导向套前端到轭铁而产生斜面吸力，另一路直接由衔铁断面到轭铁而产生表面吸力，二者的合成力即为比例电磁铁的输出力（见图2）。
由图2可以看到，比例电磁铁在整个行程区内，可以分为吸合区I、有效行程区II和空行程区III三个区段：在吸合区I，工作气隙接近于零，输出力急剧上升，由于这一区段不能正常工作，因此结构上用加不导磁的限位片（图1中的12）的方法将其排除，使衔铁不能移动到该区段内；在空行程区III工作气隙较大，电磁铁输出力明显下降，这一区段虽然也不能正常工作，但有时是需要的，例如用于直接控制式比例方向阀的两个比例电磁铁中，当通电的比例电磁铁工作在工作行程区时，另一端不通电的比例电磁铁则处于空行程区III；在有效行程区（工作行程区）II，比例电磁铁具有基本水平的位移动特性，工作区的长度与电磁铁的类型等有关。
比例电磁铁具有与位移无关的水平的位移－力特性，一定的控制电流对应一定的输出力，即输出力与输入电流成比例（见图3），改变电流即可成比例改变输出力。
由图3可看到，当电磁铁输入电流往复变化时，相同电流对应的吸力不同，一般将相同电流对应的往复输入电流差的最大值与额定电流的百分比称为滞环。
比例电磁铁
比例电磁铁电液比例控制技术对比例电磁铁提出了一定的要求，主要有：a)水平的位移力特性，即在比例电磁铁有效工作行程内，当线圈电流一定时，其输出力保持恒定。
b)稳态电流——力特性具有良好的线性度，较小的死区及滞回。
c)阶跃响应快．频响高。
1.1 结构与水平吸力特性图0.1 耐高压直流比例电磁铁的结构和特性a)传统电磁铁的吸力特性；b)比例电磁铁的特性的形成——2种吸力特性的叠加；c)形成2种吸力特性的结构因素——隔磁环；d)分3个区段——用小隔磁环来消除第1区段，第2区段为水平吸力区，第3区段为辅助工作区；e)调零弹簧对输入输出特性的影响；f)电磁铁工作状态:湿式,耐高压,动铁前后通油孔改善动态特性。
1.2 稳态控制特性图0.2 不带位移反馈比例电磁铁位移——力特性图0.3 不带位移反馈比例电磁铁电流——力特性图0.4 带位移闭环的比例电磁铁的稳态特性1.3 力控制型与位置控制型：结构与特性的对比力控制型——与输入信号成比例的是输出力；位置控制型——与输入信号(电压)成比例的不是输出力!而是动铁位移（具体力的大小由负载需要定——在最大吸力之内）行程调节型——力控制性的变种（由弹簧转化为位移） 比较关系如下表：结构输入输出特性使用 力控制型 电流--- 输出力 输出力只与输入电流成正比工作区内与衔铁位移无关行程较短，用于先导级行程控制型 力控制型+负载弹簧，结构完全相同，只是使用上的区别电流--力----位移输出位移与输入电流成正比 输出行程较大，多用于直控阀 位置调节型力控制型+位移传感器，增加了动铁位置小闭环电流--- 衔铁位置衔铁位置与输入电流成正比与所受反力无关*有动铁位置反馈闭环 *用于控制精度要求较高的直控阀1.4 结构对性能的影响a) 动铁的阻尼通道； b) 反比例；c) 双向激励线圈，湿式，双向输出,无零位死区； d) 排气。
举例某电磁铁的规格如下表：电磁铁规格 035 045 060 新发展输出力 N 55 75 135 行程 mm 2+2 3+3 4+4额定电流 mA 680 810 11102500--3700常态电阻 Ω 24.6 2116.7电压V24。