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高速开关电磁阀的研究及测试

文章编号:

1000-0925(2004)01-038-05

250010

高速开关电磁阀的研究及测试刘兴华,李广荣(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京,100081)

ResearchandTestofHighSpeedSwitchElectromagneticValveLIUXing2hua,LIGuang2rong(SchoolofmechanicalandVehicleEngineering,BeijingInst.ofTechnology,Beijing100081,China)

Abstract:Thehigh2speedswitchelectromagneticvalveisakeyequipmentintheelectromagneticcontrolsys2

tem,whoseperformancewillinfluencethewholeelectromagneticcontrolsystemgreatly.Inthispaper,anewkindofhigh2speedswicthelectromagneticvalvewithtwoloopsisdesignedandtested.Someadviseinthedesignofelec2tromagneticvalvearegivenanditsapplicationtothecontrolsystemisintroduced.

摘要:高速开关电磁阀在电磁控制系统中是一种结构简单、易于实现计算机控制的关键控制元件,它的性能指标对整个电液系统有很大的影响。本文设计了一种新型的双线圈结构的高速开关阀,并对其性能进行了测试和研究,给出电磁阀设计过程中需注意的几点建议,最后,

给出了电磁阀在电控系统中的应用方法。关键词:内燃机;电磁阀;测试;特性KeyWords:I.C.Engine;ElectromagneticValve;Testing;Characteristic中图分类号:TK406 文献标识码:A

1　概述随着微电子技术的飞速发展,以机、电、液三位一体为特征的高速数字液压技术也得到了迅速发展,高速数字开关阀(HSV)是该技术成功应用的一个典范。以HSV为核心的执行器具有快速响应、低成本、抗污染的特点,其应用范围和领域正在不断地扩展。在现代高压开关设备中,电磁阀的响应时间直接影响着整个系统的性能。因此,分析与设计一个快速开关的电磁阀,对于进一步提高液压机构的性能具有重要意义。电磁阀的响应时间受电、磁、机三项因素影响,

如要缩短动作时间,无非是增加电磁力,减小各种机械阻力,减少电与磁的过渡过程时间等三项措施。因此,在设计电磁阀时,必须深刻了解影响其动作时间的各种因素及其相互制约关系。高速开关电磁阀的开关速度是决定阀性能的主要标志。电磁阀在开

关时的阻力直接影响阀的开关时间,因此设计中尽可能的减小阀芯所受的各种阻力。电磁阀的运动过程可分为两个阶段,预运动阶段t1和运行阶段t2[3]。t1为动铁芯预动时间,即从线圈得电至动铁芯刚开始起动这一阶段时间;这段时间是由于电与磁的惯性,即由电磁暂态现象引起的滞后时间,这时间决定于电磁铁的结构、材料、线圈电压、电感的大小和弹簧反力大小。t2为动铁芯运动时间,即从动铁芯开始运动至阀门全打开(或全关闭)所经历的时间,这段时间取决于阀芯所受的各种阻力。本文以北京理工大学设计的滑阀式结构高速开关电磁阀为基础,对其进行工作特性研究。

2　高速开关电磁阀的结构和原理设计的高速开关电磁阀采用了圆柱滑阀式两位三通结构(如图1)。使用一种含少量铝的铁硅合金

收稿日期:2003206230

作者简介:刘兴华(1963-),男,副教授,主要研究方向为内燃机电子控制及排放,E2mail:lxh@bit.edu.cn。

第25卷(2004)第1期内　燃　机　工　程　NeiranjiGongcheng

Vol.25(2004)No.1

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net材料,它具有高的起始磁导率和最大磁导率,可以产生较大的电磁吸力。铝的加入使合金电阻率增加、降低涡流损耗,并减小电阻温度系数,合金耐磨性增强,比重下降,这可以减小阀芯的质量[3]。电磁阀两端采用双线圈结构,取消复位弹簧,消除了因弹簧阻尼带来的机械延时和电磁阀寿命降低。阀芯上采用开平衡槽方法,消除液压卡紧力。在一个工作周期中,前半周期电磁阀一端(如A端)通正向电流产生电磁吸力,另一端(B端)提前通反向电流消除上一周期因大电流引起的剩磁;后半周期与前半周期正好相反。增加驱动电流可使电磁线圈中的电流变化率增大,有利于提高电磁阀的响应速度。但在高电压、大电流的驱动下,如果不及时切断电源,会造成铁芯的深度饱和,线圈温升过高和能耗过大。所以电磁阀每一端的PWM控制电路保证高压开启,靠剩磁维持吸合状态,但在释放时对剩磁的处理就很有必要,否则影响电磁阀的关闭时间。

图1　电磁阀结构原理图1.线圈　2.进油口　3.线圈骨架　4.端盖　5.线圈骨架6.线圈　7.阀芯　8.回油口　9.垫片　10.出油口11.线芯

3　试验原理当电流通过电感元件时(本试验为线圈)产生电

磁场,它将进一步磁化阀芯,从而在阀芯和铁芯之间产生电磁力。控制电路产生不同脉宽的PWM信号,保证电磁阀高电压开启,千分表测出阀芯的工作气隙。当通过调节螺母拉开阀芯时(图2),它们之间变化的电磁力可以通过拉力传感器测出。本试验电磁阀总成近似拍合式电磁铁,工作气隙不大,气隙内的磁场近似均匀分布[1],当忽略铁芯磁阻的影响,铁

芯磁压降可忽略不计,则Φδ=NINΛδ,根据能量守

恒fm=-IdΦ2dδ得:

fm=-

(IN)

dΛ

2dδ

图2　电磁阀试验原理式中,IN为激磁线圈磁势,A;Λδ为工作气隙磁导,

H;δ为工作气隙长度,m;f

为平均电磁力,N。

如果工作气隙的磁压降为Umd,Λδ=1Rδ那么电磁力也可以表示为[4]:

fm=-(Umd)2dΛδ2dδ=

Φ2δdRδ

2dδ

当铁芯不饱和时,Umd≈IN,气隙磁阻R

δ=

δμ0A

,代入上式得:

fm=

(IN)2μ

2δ2

当IN为常数时,f

m=f(δ)为二次双曲函数,

实

际上导磁体总会有磁阻,也会产生磁压降,所以U

并不是常数,而是随气隙δ减小而减小,而δ减小

时,磁通会增加,铁芯磁路磁阻将增加,磁压降也随之增大,因此实际的静吸力特性在δ较小时(图3),

将偏离双曲线2,如图曲线1所示。当IN增加时,

曲线将向上移。通过分析电磁铁的静吸力特性知,电磁力对阀芯的吸力随距离的增加而减小。当电磁阀一端通过电流将阀芯吸合时必须克服剩磁力、液压卡紧力、稳态液动力、瞬态液动力、粘滞阻尼力。测试时电磁阀阀芯的运动间隙为1mm,如果将电磁阀1mm处的

4　试验结果表1为电磁阀通过不同的电流时,电磁吸力随气隙变化的测试结果。通过试验证明它们之间的关系符合电磁铁的吸力特性。当阀芯在有没有剩磁时,安匝数与电磁力近似平方关系。如果在电磁铁的另一端提前加反向电流,电磁铁阀芯的剩磁将消去,这时电磁力特性曲线应是没有剩磁的曲线。

表1　电磁阀通过不同电流时电磁吸力随气隙的变化　N

X,mm

00.10.20.30.40.5

1A3.732.832.291.91.421.292A14.9011.098.426.475.114.15

X,mm

0.60.70.80.91.01.2

1A1.131.071.020.890.830.742A3.503.072.712.412.131.76

通过MATLAB对以上试验结果拟合,得到电磁力随气隙大小变化曲线函数:

F(X)=

αμSN

2×107

2(X2+5X+1.2)

式中,F(X)为电磁力大小,N;X为气隙大小,mm;

N为安匝数变化倍数,安匝数基数为100;S为吸合面积,m

2;μ为比磁导,4π×10-7

H/m;а为修正系

数0.8～1。

根据试验数据拟合的函数符合电磁铁静吸力特性曲线,在使用过程中可以根据电磁阀的结构和铁磁材料选修正系数。通过示波器得到电磁阀开始运动的时刻,如果不考虑摩擦力,可以通过运动学公式和解高阶微分方程求得阀芯的响应时间。从控制理论考虑,提高电磁阀响应速度的方法为:减小阀芯质量,增加安匝数。但是减小阀芯的质量,一方面减小了吸合面积,另一方面稳定性下降;增加安匝数,一方面线圈易发热,功耗增加,另一方面增加了电感,

电流上升较慢,使电磁阀响应速度变慢。

5　动态特性根据电磁吸力与激磁电流之间的关系可知,激磁电流越大,电磁吸力也就越大,电磁阀的响应速度越快,其控制精度越高。而电磁线圈上的电感阻碍了电流达到其最大值的时间,由电压平衡方程:U=

IR+Ldi

可知,增加驱动电压可使电磁线圈中的电

流变化率增大,有利于提高电磁阀的响应速度。但在高电压、大电流的驱动下,使衔铁吸合后,如果不及时切断电源,会造成铁芯深度饱和、线圈温升过高、能耗过大。此外由于我们设计的电磁阀采用双线圈驱动,应在衔铁吸合前不久就马上切断电源,靠剩磁维持吸合状态,但在释放时对剩磁的处理就很有必要,否则影响另一个线圈的吸合时间。因此我们设计的驱动电路是PWM高电压大电流驱动电路附加反向消磁电路。5.1　静吸力特性在理论上电磁力的大小与气隙大小为二次双曲函数,实际上电磁力受诸多因素的影响,只有通过试验来测量电磁力的大小,测量方法按图2。由于不同电流下电磁力和剩磁不同,所以电磁力随气隙变化的曲线不同(如图4

)

5.2　流量特性空载流量特性是高速开关电磁阀重要的特性,

反映阀对整个系统的控制能力。理想开关阀的瞬时流量为:

Q=0 t=0CA2ΔP

ρ 0≤t≤t

≤t≤T

一个周期内的平均流量为:Q=CA2ΔPρ・D

(如图5),式中:D

为占空比,当开关阀的压差不变

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高速开关电磁阀的研究及测试

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