引言

電磁閥是一種靠電磁線(xiàn)圈電磁力控制管路系統(tǒng)流體通斷的閥門(mén)。隨著汽車(chē)工業(yè)、空調(diào)、化工設(shè)備、航天航空等行業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的加快,電磁閥以其快速、精準(zhǔn)、高效的控制特點(diǎn),在這些行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。電磁線(xiàn)圈是電磁閥的核心動(dòng)力來(lái)源,電磁線(xiàn)圈也可適配不同的電路來(lái)工作,是自動(dòng)化流體控制的基礎(chǔ)元件。近年來(lái),電磁閥的設(shè)計(jì)和應(yīng)用趨于成熟,但在實(shí)際應(yīng)用中存在高溫狀態(tài)下電磁閥開(kāi)閥能力衰減甚至不滿(mǎn)足開(kāi)閥壓力差設(shè)計(jì)要求的缺陷。

本文重點(diǎn)分析溫度對(duì)電磁線(xiàn)圈磁動(dòng)勢(shì)、電磁閥的電磁力和開(kāi)閥能力的影響,意在得出溫度和電磁閥關(guān)鍵特性的直接關(guān)聯(lián)公式,為后續(xù)電磁閥在不同溫度環(huán)境條件下的應(yīng)用提供參考。

1電磁閥結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

電磁閥由電磁線(xiàn)圈和閥總成部件配合形成驅(qū)動(dòng)通斷功能,如圖1所示。電磁線(xiàn)圈一般由線(xiàn)圈骨架、漆包線(xiàn)繞組、絕緣包封層等部分組成,絕緣漆包線(xiàn)繞制于線(xiàn)圈骨架上。閥部件包括動(dòng)鐵芯、靜鐵芯和復(fù)位彈簧。動(dòng)、靜鐵芯均為軟磁材料,當(dāng)線(xiàn)圈不通電無(wú)磁場(chǎng)時(shí),動(dòng)、靜鐵芯不帶磁性或磁性很弱;當(dāng)線(xiàn)圈通電形成磁場(chǎng)時(shí),軟磁材料被勵(lì)磁產(chǎn)生磁性,克服彈簧力和靜鐵芯上的壓力差相互吸合。

以常閉直動(dòng)式電磁閥為例,當(dāng)線(xiàn)圈未通電時(shí),動(dòng)鐵芯、靜鐵芯在復(fù)位彈簧的作用下,兩者分開(kāi),閥口閉合,實(shí)現(xiàn)關(guān)閥功能;當(dāng)線(xiàn)圈通電時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng),使動(dòng)、靜鐵芯被勵(lì)磁相互吸合,閥口打開(kāi),實(shí)現(xiàn)開(kāi)閥功能。

磁動(dòng)勢(shì)是衡量電磁線(xiàn)圈性能的主要指標(biāo),磁動(dòng)勢(shì)主要取決于漆包線(xiàn)繞制的匝數(shù)、線(xiàn)圈骨架的內(nèi)外徑,同時(shí)受線(xiàn)圈溫度、驅(qū)動(dòng)電壓的影響;電磁力和開(kāi)閥壓力差是衡量電磁閥性能的主要指標(biāo),電磁力除了受線(xiàn)圈因素影響外,還與閥總成內(nèi)部的氣隙長(zhǎng)度、氣隙面積相關(guān);基于電磁力計(jì)算的開(kāi)閥壓力差還與閥總成內(nèi)部閥口尺寸、復(fù)位彈簧力相關(guān)。

2線(xiàn)圈磁動(dòng)勢(shì)和電磁閥電磁力計(jì)算

2.1磁動(dòng)勢(shì)計(jì)算

磁動(dòng)勢(shì)是線(xiàn)圈電流I和線(xiàn)圈匝數(shù)N的乘積(IN),又名"安匝數(shù)"。首先分別計(jì)算出線(xiàn)圈電流I和線(xiàn)圈匝數(shù)N。

線(xiàn)圈匝數(shù)N取決于線(xiàn)圈骨架的3個(gè)參數(shù)H、D1、D2和繞制于骨架上的漆包線(xiàn)線(xiàn)徑d,線(xiàn)圈匝數(shù)的計(jì)算公式如下:

式中:H為線(xiàn)圈骨架上漆包線(xiàn)總繞線(xiàn)寬度(mm):D1為線(xiàn)圈骨架上漆包線(xiàn)繞線(xiàn)軸徑(mm):D2為線(xiàn)圈骨架上漆包線(xiàn)繞線(xiàn)外徑(mm):d為漆包線(xiàn)線(xiàn)徑(mm)。

總繞線(xiàn)長(zhǎng)度L為:

線(xiàn)圈電阻R為:

式中:p為銅的電阻率(mm2/m):s為漆包線(xiàn)的截面積(mm2)。

線(xiàn)圈繞制完成后,其電阻值R也隨之確定,當(dāng)電磁線(xiàn)圈的驅(qū)動(dòng)電壓明確時(shí),電磁驅(qū)動(dòng)電流可由公式I=U/R計(jì)算如下:

磁動(dòng)勢(shì)IN為:

從上述公式分析得出,在其他參數(shù)固定的條件下,磁動(dòng)勢(shì)與電壓成正比關(guān)系,與電阻率成反比關(guān)系。

2.2磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力計(jì)算

電磁閥磁動(dòng)勢(shì)降絕大部分在氣隙處,除氣隙外電磁閥其余部分的材料導(dǎo)磁性能均良好,氣隙長(zhǎng)度是指動(dòng)鐵芯從復(fù)位位置到吸合位置的運(yùn)行長(zhǎng)度,即行程[5],行程越長(zhǎng)則磁場(chǎng)強(qiáng)度和電磁力相應(yīng)下降越多,公式可以轉(zhuǎn)化為:

式中:H0為氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m):6為氣隙長(zhǎng)度(mm):B0為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度(T):μ0為磁導(dǎo)率,取4m×10-7H/m。

磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算:

電磁力簡(jiǎn)化算法:

式中:s0為氣隙面積(mm2)。

從上述公式分析得出,在其他參數(shù)固定的條件下,電磁力與電壓的平方成正比關(guān)系,與電阻率的平方成反比關(guān)系。

2.3磁動(dòng)勢(shì)、電磁力與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算

當(dāng)線(xiàn)圈通電時(shí),線(xiàn)圈會(huì)發(fā)熱,漆包線(xiàn)電阻率會(huì)隨著溫度變化而發(fā)生變化,計(jì)算公式為:

式中:7為線(xiàn)圈溫度(℃)

將公式(9)代入磁動(dòng)勢(shì)計(jì)算公式(5),得出磁動(dòng)勢(shì)與溫度的計(jì)算公式:

式中:U為工作電壓(v):d為漆包線(xiàn)線(xiàn)徑(mm):7為線(xiàn)圈溫度(℃):D1為線(xiàn)圈骨架上漆包線(xiàn)繞線(xiàn)軸徑(mm):D2為線(xiàn)圈骨架上漆包線(xiàn)繞線(xiàn)外徑(mm)。

將公式(9)代入電磁力計(jì)算公式(8),得出電磁力與溫度的計(jì)算公式:

式中:U為工作電壓(v):d為漆包線(xiàn)線(xiàn)徑(mm):μ0為氣隙磁導(dǎo)率,取4m×10-7H/m:s0為氣隙面積(mm2):7為線(xiàn)圈溫度(℃):D1為線(xiàn)圈骨架上漆包線(xiàn)繞線(xiàn)軸徑(mm):D2為線(xiàn)圈骨架上漆包線(xiàn)繞線(xiàn)外徑(mm):6為氣隙長(zhǎng)度(mm)。

2.4開(kāi)閥壓力差計(jì)算

電磁閥設(shè)計(jì)需要在不同溫度下均能滿(mǎn)足克服壓力差,達(dá)到正常開(kāi)閥的要求,因此電磁閥的開(kāi)閥壓力差等同于開(kāi)閥能力。開(kāi)閥需要克服復(fù)位彈簧力Fs和作用在動(dòng)鐵芯上的壓差力Fp,壓差力Fp為動(dòng)鐵芯閥口尺寸do大小和閥口上下壓力差p的乘積,電磁力和開(kāi)閥壓力差公式轉(zhuǎn)換如下:

式中:Fs為復(fù)位彈簧力(N):Fp為壓差力(N):do為閥口直徑(mm):p為開(kāi)閥壓力差(MPa)。

3計(jì)算示例

計(jì)算示例電磁閥參數(shù)如表1所示,分別計(jì)算溫度在0~120℃區(qū)間范圍變化時(shí),磁動(dòng)勢(shì)、電磁力和開(kāi)閥壓力差的具體數(shù)據(jù),并以常溫2o℃和高溫12o℃兩個(gè)典型溫度點(diǎn)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

當(dāng)溫度在o~12o℃區(qū)間變化時(shí),磁動(dòng)勢(shì)變化如圖2所示,在常溫2o℃時(shí)磁動(dòng)勢(shì)約為691At,當(dāng)溫度升高至120℃時(shí),磁動(dòng)勢(shì)降低至496At,計(jì)算衰減幅度為28%。

當(dāng)溫度在0~120C區(qū)間變化時(shí),電磁力變化如圖3所示,在常溫20℃時(shí)電磁力約為8.5N,當(dāng)溫度升高至120℃時(shí),電磁力降低至4.4N,計(jì)算衰減幅度為48%。

當(dāng)溫度在o~120℃區(qū)間變化時(shí),開(kāi)閥壓力差變化如圖4所示,20℃時(shí)閥的開(kāi)閥壓力差p為3.7MPa,當(dāng)溫度升高至120℃時(shí),開(kāi)閥壓力差降低至1.4MPa,計(jì)算衰減幅度為62%。

根據(jù)上述計(jì)算,磁動(dòng)勢(shì)、電磁力和開(kāi)閥壓力差在溫度升高時(shí)均有大幅下降,當(dāng)溫度升高至12o℃時(shí)開(kāi)閥壓力差已經(jīng)低于設(shè)計(jì)要求,有兩種解決方案:

方案1:降低適配的閥口尺寸。當(dāng)閥口尺寸do=1.5mm時(shí),閥在12o℃條件下的開(kāi)閥壓力差為1.4MPa:當(dāng)閥口尺寸do降低至1mm時(shí),閥在120℃條件下開(kāi)閥壓力差達(dá)3.1MPa,在全溫度范圍內(nèi)均能滿(mǎn)足大于2MPa的開(kāi)閥壓力差要求,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

方案2:提升線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)工作電壓U=12V時(shí),閥在120℃條件下的開(kāi)閥壓力差為1.4MPa:當(dāng)工作電壓U增加至14V時(shí),閥在120℃條件下的開(kāi)閥壓力差為2.1MPa,在全溫度范圍內(nèi)均能滿(mǎn)足大于2MPa的開(kāi)閥壓力差要求,如圖6所示。

當(dāng)采用增加電壓的方案進(jìn)行開(kāi)閥壓力差提升時(shí),最好適配溫度傳感監(jiān)控,在溫度達(dá)到一定范圍時(shí)增加電壓,避免全行程增加電壓,從而增加能耗。

4結(jié)語(yǔ)

本文基于磁動(dòng)勢(shì)、電磁力、繞組電阻率計(jì)算公式,分析了溫度對(duì)線(xiàn)圈的磁動(dòng)勢(shì)以及電磁閥的電磁力和開(kāi)閥壓力差的影響,以典型的常溫20C和高溫120C為示例進(jìn)行計(jì)算,磁動(dòng)勢(shì)衰減28%,電磁力衰減48%,開(kāi)閥壓力差衰減62%。盡管常溫條件下開(kāi)閥壓力差適配甚至有冗余,但為確保產(chǎn)品可靠性,需要在全溫度運(yùn)行范圍內(nèi)開(kāi)閥壓力差均能達(dá)到大于2MPa的標(biāo)準(zhǔn),因溫升導(dǎo)致的開(kāi)閥能力衰減,可以通過(guò)適配合適的閥口尺寸或增加電壓的方案,確保全溫度范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)能力達(dá)標(biāo)。