线控电磁离合器电磁阀执行器设计

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工 业 技 术
DOI：10.16661/ki.1672-3791.2019.01.097
线控电磁离合器电磁阀执行器设计
①
段修平
(山东职业学院 山东济南 250104)
摘　要：该文设计的螺线管电磁铁安装在线控电磁离合器上，电磁铁嵌入旋转盘的一侧。

当通电时，铁芯在电磁力的作用下伸出，铁芯一端伸入与旋转盘相结合的另一个盘的孔内，从而带动另一个盘旋转。

该文运用经验公式计算的方法初步得到电磁铁的结构参数，然后结合电磁铁的静态磁场的磁路计算，对电磁铁结构进行了详细设计和校核优化，并研究了某些结构参数对电磁铁静态特性的影响，对电磁铁的设计具有指导意义。

关键词：电磁阀执行器 电磁铁 电磁力
中图分类号：U26 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2019)01(a)-0097-02
传统的电磁铁设计流程：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[1,2]。

和电磁铁性能紧密相关的主要结构参数通常需要实物加工出来后，再根据实物的性能指标加以确定，这样会是产品的设计周期大大延长，而且不能保证得到到的产品是优化后的结果。

因此，根据电磁铁形式开展电磁力计算是降低产品设计周期、提高产品可靠性、增强产品可靠性的重要环节。

该文首先运用磁路计算的方法得到电磁铁初步的结构参数，然后结合电磁铁的静态磁场的有限元计算，对电磁铁结构进行了优化，并研究了某些结构参数对电磁铁静态特性的影响，对电磁铁的设计具有指导意义。

1 电磁阀设计目标
设计一个电磁铁，额定工作行程为6mm，电磁吸力
30N(3kg)，用在电压12V的直流电路上。

2 电磁阀参数计算
2.1 电磁铁吸力的推导
设计直流螺线管电磁铁，根据公式计算稳态工作时电
[4]
(1)
式中，φ为工作气隙磁通，Wb；
B 为工作气隙磁感应强度，T；μ0为真空磁导率，其值为4π×10-7Wb/A ·m；S 为磁路截面积，m 2。

在电磁铁初步设计中，如果忽略漏磁及连接部分的气隙，只考虑铁芯行程处的气隙为为主气隙，此时直流电磁
B 为：
(2)
式中，N 为线圈匝数；I 为电流强度，A；
U 为电源电压，V；R 为绕线电阻，Ω；δ
为气隙长度，m。

(3)
实际在工作气隙中起作用的只
，考虑漏磁后，式(3)可以写为：
(4)
取值由磁路组成决定，根据磁路
设计的好坏差别很大，可在1~10范围变化，通常在电磁阀设计中取1.2~5.0，该值的选取带有很大的经验性。

对于长期从事电磁铁设计的工作人员，可以通过类比结构类似的
电磁铁对该值进行估算[5]。

2.2 电磁铁安匝的计算
选取直径d =0.8m m的漆包线，允许通过的最大电
流为4A。

令公式(4)中的力F=30N，
K f 取经验最小值1.2，μ0=4π×10-7Wb/A ·m。

取工作气隙δ=0.5mm，铁芯的直径D为10mm，
2π/4，则
NI =2416A
当磁漏系数K f 等于5.0时N
I =2416A，故安匝数
为604~2516A之间。

2.3 线圈绕线电阻的计算
查不同温度时铜导线电阻系数对应值，可以得出常温下铜线的电阻率：
ρ=0.0185Ω·mm 2/m (5)
式中，R 为线圈电阻，Ω；ρ为铜线的电阻率，Ω·mm 2/m；
L ①基金项目：2017省教改课题专项(省财政)(项目编号：2017014)。

　作者简介：段修平(1990，8—)，男，汉族，山东邹城人，硕士研究生，助教，研究方向：城市轨道交通。

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为导线长度，m。

将数据带入公式(5)，变形得：
(6)
即导线长L =7.20m。

2.5 线圈匝数的计算
由于铁芯的直径D =16mm，查阅弹簧规格表，选择相近的弹簧LCM140J01：弹簧线径1.40mm，外径18.3mm，自由长度为15.5mm，弹簧刚度5.46N/mm，压并长度为4.90mm，压并负荷13N，工作孔径19.0mm。

结合市场上的弹簧，经优化选择弹簧：自由长度为15mm，压并长度为5mm，线径1.0mm，外径19mm。

线圈高厚比β是线圈的高度l k 和线圈的厚度b k 之比，它与整个电磁铁的用铜量和用铁量有关，影响电磁铁的经济性。

取绕线厚度为b k =6mm，根据线圈高厚比经验取值选取线圈高宽比β为3~4。

绕线骨架线圈的平均直径为：
D 1=17+292
=23mm
线圈的平均周长为：C =22×10-3πmm 线圈匝数为：7.20
22×10-3π
=313匝
3 电磁阀设计总结
该文通过对电磁铁结构特点的分析为切入点，利用经
验公式对电磁铁的各部分参数进行计算，然后根据“电磁铁设计手册”对要求的电磁铁进行详细的设计，以改善电磁铁的设计加工方案，并提高电磁铁的输出性能。

参考文献
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能有很大影响。

有公式W →=U →+V →，其中，U →为来流风速，V →
为叶片旋转线速度，W →
为叶片合成速度。

定义当叶片合成速度W →相对于V →
指向外侧时，安装角为正。

若安装角为正，叶片在上风侧攻角会减小，而在下风向攻角增大，即一定尖速比下，上风侧功率系数会增加，下风侧功率系数会减少。

经实验测定，安装角在0°~8°之间增加时，风机输出功率会明显增加，安装角在大约5°时功率达到最大值。

而安装角为负值时，则风机最大风能利用率急剧下降。

3.5 实度
实度的定义为
，
N 为叶片数目，c 为弦长，R 为叶轮半径。

采用较多的叶片数可使风轮力矩波动更小，输出能量更稳定，减小叶片气动力周期性波动，风轮所受动态载荷更小。

但是，叶片数量增多会导致风轮下风区流场扰动增加，削弱风轮的气动特性，所以H 型垂直轴风力机叶片数目一般控制在2~5之间。

实度增大，即风机叶片数目或弦长增加时：(1)转矩升高，风力机自启动性能变好。

(2)尖速比较低时出现最大转矩和风能利用率。

(3)叶片数量增加引起风轮实度的增加，风轮驱动力矩衰减增快，风能利用系数的范围减小，即风能利用率曲线变窄，最大风能利用率对应的尖速比变小。

(4)风机叶片数目增加则单个叶片输出转矩变低。

(5)风轮的下风侧低风速区域变大，风速变低，同时攻角变小。

(6)尖速比越大，叶片对下风侧影响越大，导致效率变
低。

即高尖速比下，弦长较短或实度较小的工况更具优
势。

4 减少失速影响的对策
动态失速是翼型的攻角快速变化时产生的一种现象，表现为翼型的前缘区域集中大量的涡脱落现象。

当尖速比较低时，叶片表面流体动能相对较小，无法克服叶片气流分离和动态失速现象，尖速比继续增大后，尾流对风轮流场的干扰却变得严重。

增加翼型厚度和弯度可以使翼型吸力面曲率变大，有利于提高边界层的动能，使气流延迟分离，减缓动态失速涡脱落。

风速增大使流向叶片的气流速度相应增大，叶片边界层获得动能的提高，但同时也会削弱其在尖速比较高时的气动特性。

参考文献
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