第二章 比例电磁铁
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。
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。
比例电磁铁
比例电磁铁
比例电磁铁是一种能够按照一定的比例来产生电磁力的装置。
这种类型的电磁铁通常由绕组、铁芯和电源组成。
绕组是一个由导线制成的线圈，通常绕在一个铁芯上。
当电流通过绕组时，会产生一个磁场。
磁场的强度与电流的大小成正比。
铁芯的作用是增强磁场的强度。
铁芯通常由铁制成，因为铁具有较高的磁导率，能够有效地集中和增强磁场。
电源提供了电流给绕组，从而产生磁场。
电源可以是直流电源或交流电源，具体取决于应用需求。
比例电磁铁的原理是根据安培定律，电流通过绕组时会产生一个磁场，磁场与电流的关系为磁场强度等于电流乘以绕组的匝数。
因此，通过控制电流的大小和绕组的匝数，可以实现按照一定比例来产生电磁力。
比例电磁铁在工业和科学研究领域有广泛的应用。
例如，它可以用于控制和调节机械系统的运动，如电磁阀、电磁刹车等。
此外，比例电磁铁还可以用于制造精密仪器和设备，如电流表、磁力计等。
什么是比例电磁铁
什么是电磁铁
安阳市华阳电磁铁制造有限公司
电磁铁顾名思义就是通电能产生电磁的一种装置，内部带有铁芯的通电螺线管叫电磁铁。
当在通电螺线管内部插入铁芯后，铁芯被通电螺线管的磁场磁化。
磁化后的铁芯也变成了一个磁体，这样由于两个磁场互相叠加，从而使螺线管的磁性大大增强。
为了使电磁铁的磁性更强，通常将铁芯制成蹄形。
但要注意蹄形铁芯上线圈的绕向相反，一边顺时针，另一边必须逆时针。
如果绕向相同，两线圈对铁芯的磁化作用将相互抵消，使铁芯不显磁性。
另外，为了使电磁铁断电立即消磁，我们往往采用消磁较快的的软铁或硅钢材料来制做。
这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁就随之消失。
电磁铁的铁芯不能用钢制做。
否则钢一旦被磁化后，将长期保
持磁性而不能退磁，则其磁性的强弱就不能用电流的大小来控制，而失去电磁铁应有的优点。
比例电磁铁关键结构参数分析
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科学技术 （ 责任 编辑 ：郑弱 ）
２ ． ５隔磁环 位 置对 比例 电磁 铁 的影响
比例 电磁铁在 工作行 程内的水平位移——力特性 曲线是 由端 面力 和附加轴 向力两个分力合成的。端面力是由磁感线 穿越工作气 隙进 入 极靴而产生 ；附加轴向力则由磁感线从 衔铁 直接进入 导套 而产生。改 变衔铁导套形成的磁路上的磁阻可对磁感线 分布产 生影响 ，从而改变 附加轴 向力的大小 ，控制位移——力特性曲线 的形状 。而磁 阻的大小 与磁路截面积成反 比，因此调整隔磁环的位 置实现可以控 制局部磁 阻 的大小 ，达到间接控制附加轴 向力的 目的。如 图４ 所示 ，左 图隔磁环位 于工作气隙下方 ，右图 ，隔磁环紧邻工作气 隙。右图可以得到较好 的 水平位移——力曲线。
科学技术 （ 责任编辑 ：郑弱 ）
比例 电磁铁关键结构参数分析
杜金凤
（ 新乡职业技术学院 河南 新乡 ４ ５ ３ ０ ０ ０） 摘 要 ：比例电磁铁是 比例 阀的核心部件 ，它 的水平位移——力特性是比例电磁铁所要求的重要性能，用电磁仿真软件对多种比例电磁铁结构方
比例电磁铁
1、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1.1 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1.2 不带位移反馈比例电磁铁位移——力特性图1.3 不带位移反馈比例电磁铁电流——力特性图1.4 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。
比例电磁铁工作原理
比例电磁铁前面多次提到过在比例阀中占很重要地位的驱动控制部分――将电信号转换为位移信号的电- 机械转换器。
那么此节将对它作一个详细的介绍。
液压控制系统中最主要的被控参数是压力与流量，而控制上述两个参数的最基本手段是对流阻进行控制。
一种控制流阻的技术途径是直接的电液转换。
它是利用一种对电信号有粘性敏感的流体介质一电粘性液压油，实现电液粘度转换，从而达到控制流阻、实现对系统的压力和流量控制的目的。
显然，这种流阻控制方式更为简便，它无需电－机转换元件。
但是目前这种技术还未达到实用阶段和要求。
目前生产技术上能实现的可控流阻结构形式是通过电-机械转换器实现间接的电-液转换。
将输入的电信号转换成机械量。
这种电-机械转换器是电液比例阀的关键组件之一，它的作用是把经过放大后的输入信号电流成比例的转换成机械量。
根据控制的对象或液压参数的不同，这个力或者传给压力阀的一根弹簧，对它进行预压缩，或者输出的力、力矩与弹簧力相比较，产生一个与电流成比例的小位移或转角，操纵阀芯动作，从而改变可控流阻的液阻。
可见，电一机转换器是电液比例阀的驱动装置。
它的静态，动态特性对整个比例阀的设计和性能起着重要的作用。
电- 机械转换器分类a. 按其作用原理和磁系统的特征分，主要有：电磁式、感应式、电动力式、电磁铁式、永磁式、极化式；动圈式、动铁式；直流、交流。
b. 按其结构形式和性能分，主要有：开关型电磁铁、比例电磁铁、动圈式马达、力矩马达、步进电动机等。
比例电磁铁本设计属于电液比例阀一大类，顾名思义其应用的电- 机械转换器应是比例电磁铁。
比例电磁铁的功能是将比例控制放大器输出的电信号转换成力或位移。
比例电磁铁推力大，结构简单，对油液清洁度要求不高，维护方便，成本低，衔铁腔可做成耐高压结构，是电液比例控制元件中广泛应用的电- 机械转换器件。
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的性能具有十分重要的影响，是电液比例控制系统的关键部件之一。
比例电磁铁
比例电磁铁imageimage简介比例电磁铁是一种通过电流在导线中产生磁场的装置。
它由一个螺线管或电磁铁芯以及通电的导线组成。
当电流通过导线时，会产生一个磁场，这个磁场在比例电磁铁中被放大。
比例电磁铁被广泛应用于各种领域，如科学研究、工业制造、教学实验等。
它具有可控性强、重量轻、安装简便等特点，因此在实践中得到了广泛应用。
原理比例电磁铁的工作原理基于法拉第电磁感应定律和安培环路定理。
根据法拉第电磁感应定律，当导体中有一个变化的磁场时，会产生感应电动势，从而导致电流的变化。
而安培环路定理则描述了电流会产生一个磁场。
比例电磁铁利用这两个定律，通过导线中的电流产生磁场，并在电磁铁内放大。
导线中的电流通过线圈产生的磁场可以叠加产生更强大的磁场。
结构比例电磁铁通常由以下几部分组成：1.螺线管/电磁铁芯：螺线管是由绕在芯上的导线组成，电磁铁芯则是填充在螺线管内部的材料，如铁、镍等。
它们的作用是集中磁场，增强磁场强度。
2.导线：导线通过通电产生电流，进而产生磁场。
通常使用铜线或铝线作为导线。
3.电源：电源为比例电磁铁提供电流。
可以是直流电源或交流电源，具体选择根据实际需求而定。
4.支架/固定装置：用于支撑和固定比例电磁铁，确保其稳定运行。
应用比例电磁铁在各个领域都有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：1.科学研究：比例电磁铁可用于物理实验或磁场研究。
例如，在研究磁场对物体的影响时，可以使用比例电磁铁模拟不同强度的磁场。
2.工业制造：比例电磁铁在工业制造中被用作电磁吸盘、电磁制动器、电磁驱动器等设备的核心组件。
通过控制比例电磁铁的电流，可以实现对设备的精准控制。
3.教学实验：比例电磁铁是物理实验教学中常用的实验装置之一。
学生可以通过实际操作来理解电流、磁场与力的相互作用关系。
4.医疗设备：比例电磁铁广泛应用于医疗设备中，如磁共振成像（MRI）设备。
通过控制比例电磁铁的磁场强度和方向，可以对人体进行高清晰度的成像。
比例电磁铁材料
比例电磁铁材料比例电磁铁材料是一种常用的电磁铁材料，其特点是具有高导磁性和高电导性。
在电磁铁应用中，比例电磁铁材料能够提供稳定的磁场和较低的电阻，因此被广泛应用于电磁铁的制造中。
比例电磁铁材料主要由铁、镍、铜等金属元素组成。
其中，铁是比例电磁铁材料的主要成分，具有良好的导磁性能。
镍是一种具有高导磁性和高电导性的金属，能够增强比例电磁铁材料的导磁性能和电导性能。
而铜是一种具有良好导电性能的金属，能够提高比例电磁铁材料的电导性能。
在比例电磁铁材料的制备过程中，需要控制各种金属元素的比例，以达到最佳的导磁性和电导性。
通常采用合金化的方法，将各种金属元素混合后进行熔炼和冷却，得到比例电磁铁材料。
比例电磁铁材料具有多种优良性能。
首先，它具有高导磁性，能够提供稳定的磁场。
在电磁铁应用中，比例电磁铁材料能够将电能转化为磁能，产生强磁场，从而实现各种功能，如吸附、悬浮等。
其次，比例电磁铁材料具有高电导性，能够降低电阻，减少能量损耗。
在电磁铁应用中，比例电磁铁材料能够提供较高的电导率，减少电能转换过程中的能量损耗，提高效率。
此外，比例电磁铁材料还具有较高的热稳定性和机械强度，能够在高温和高压下保持良好的性能。
比例电磁铁材料的应用范围非常广泛。
在电磁铁领域中，比例电磁铁材料被广泛应用于电磁吸盘、电磁悬浮、电磁制动等领域。
比例电磁铁材料能够产生强大的磁场，实现各种功能。
在工业领域中，比例电磁铁材料被应用于电磁铁制造、电磁感应加热等领域。
比例电磁铁材料能够提供稳定的磁场和较低的电阻，使得电磁铁具有较高的效率和性能。
总的来说，比例电磁铁材料是一种具有高导磁性和高电导性的材料，能够提供稳定的磁场和较低的电阻。
在电磁铁应用中，比例电磁铁材料能够实现各种功能，广泛应用于电磁铁的制造中。
比例电磁铁材料具有多种优良性能，能够提高电磁铁的效率和性能。
随着科技的发展，比例电磁铁材料将会得到更广泛的应用和研究。
第二章比例电磁铁
第二章比例电磁铁第二章比例电磁铁2.1 电—机械转换元件的作用及形式(1)电—机械转换元件的形式目前，生产上应用的电—机械转换元件大多采用电磁式设计，并且利用电磁力与弹簧力相互平衡的原理，实现电—机械的比例转换。
最常见的有直流伺服电机、步进电机、力矩马达、动圈式力马达以及动铁式力马达。
后者更一般的称为比例电磁铁。
从目前的使用情况来看，应用最为广泛的还是比例电磁铁，它目前已经成为最主要的电—机械转换元件。
(2)电—机械转换元件的要求在电液比例技术中，对作为阀的驱动装置的电—机械转换元件的基本要求有以下几点：（1）具有水平吸力特性，即输出的机械力与电信号大小成比例，与衔铁的位移无关；（2）有足够的输出力和行程，结构紧凑、体积小；（3）线性好，死区小，灵敏度高，滞环小；（4）动态性能好，响应速度快；（5）长期工作中温升不会过大，并在允许温升下仍能工作；（6）能承受液压系统高压，抗干扰性好。
(4)比例电磁铁的概述a.比例控制的核心是比例阀。
比例阀的输入单元是电－机械转换器，它将输入信号转换成机械量。
b.比例电磁铁根据法拉第电磁感应原理设计,能使其产生的机械量(力或力矩和位移)与输入电信号(电流)的大小成比例，再连续地控制液压阀阀芯的位置，实现连续地控制液压系统的压力、方向和流量。
当前，应用最广泛的比例电磁铁是耐高压直流比例电磁铁,如图 2-1 所示。
图 2-1 耐高压比例电磁铁 1.导套；2.限位片；3.推杆；4.工作间隙；5.非工作间隙；6.衔铁；7.轴承环；8.限磁环比例电磁铁同电液伺服系统中伺服阀的力矩马达或力马达相似，是一种将电信号转换成机械力和位移的电－机械转换器。
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。
它的性能的好坏，对电液比例阀的特性有着举足轻重的作用。
2.2 电磁铁的结构与工作原理2.2.1 普通螺线管型电磁铁图 2-2 普通螺线管型电磁铁 1.非工作间隙；2.工作间隙；3.外壳；4.激磁线圈；5.档铁；6.衔铁普通甲壳型螺线管电磁铁如图 2-2 所示，由外壳 3、挡铁 5、衔铁6、激磁线圈 4 组成。
高频响比例电磁铁与比例电磁铁
高频响比例电磁铁与比例电磁铁随着科技的不断进步，电磁铁在现代工业生产中扮演着非常重要的角色。
在电磁控制系统中，高频响比例电磁铁和比例电磁铁是两种常见的类型。
它们各自具有不同的特点和应用场景，本文将从结构、工作原理和应用领域等方面对这两种电磁铁进行详细的介绍。
一、高频响比例电磁铁1. 高频响比例电磁铁的结构高频响比例电磁铁通常由电磁铁线圈、铁芯和外壳组成。
电磁铁线圈是由绝缘导线绕成的，其表面覆有绝缘层以防止导线间短路。
铁芯是电磁铁的主要磁路部件，它能够增强磁场的强度和方向。
外壳则用于固定电磁铁的各个部件，起到保护和散热的作用。
2. 高频响比例电磁铁的工作原理当高频电流通过电磁铁线圈时，会在铁芯中产生磁场。
这个磁场的强度和方向可以通过控制电流的频率和幅值来调节。
当电磁铁线圈中的电流突然中断时，铁芯中的磁场也会突然消失，这就会产生一个瞬时的感应电动势。
这种瞬时感应电动势会产生一个瞬时的磁场，从而在外部产生一个瞬时的磁力。
3. 高频响比例电磁铁的应用领域高频响比例电磁铁多用于高频电磁感应、电磁传感器和电磁阀等领域。
由于其响应速度快、动态响应范围广，因此在需要快速响应和精准控制的领域中得到广泛的应用。
二、比例电磁铁1. 比例电磁铁的结构比例电磁铁通常由电磁铁线圈、铁芯、阀芯和外壳组成。
电磁铁线圈和铁芯的结构和高频响比例电磁铁类似，不同的是比例电磁铁还配备了阀芯。
阀芯是比例电磁铁的核心部件，其结构复杂，内部精密的组件数量多，用于控制介质的流通。
2. 比例电磁铁的工作原理比例电磁铁通过控制电磁铁线圈的电流大小和方向，使阀芯能够实现连续的流量控制。
当电流改变时，阀芯的位置也会随之改变，从而改变介质的流通。
比例电磁铁能够根据输入的控制信号来调节介质的流量，实现精准的流量控制。
3. 比例电磁铁的应用领域比例电磁铁广泛应用于液压系统、气动系统和流体控制系统等领域。
由于其能够实现精准的流量控制，因此在需要精密控制流体介质的系统中得到了广泛的应用。
比例电磁铁的设计计算
比例电磁铁的设计计算
比例电磁铁是一种能将输入的电信号按比例转换成机械量（力或位移）输出的电子控制元件。
以下是其设计计算方法：
对于螺管电磁铁而言，螺管力的大小是由沿线圈高度方向上单位长度的激磁安匝以及漏磁通两者所决定。
由此可知，增大激磁安匝和减小漏磁可以增大力。
增大安匝一方面会在材料、能源方面造成浪费；另方面会使得铁磁材料多处饱和。
虽然可以通过增大铁心厚度来处理饱和问题，但是当铁心厚度增大时，漏磁也会增大。
减小漏磁的方法是在衔铁和轭铁上开一些槽，可以改变漏磁通的方向得到比较大的力。
另外，采用正交优化和TABU搜索法对影响力的轭铁直径、衔铁直径、槽的尺寸等进行优化研究，得出了最终结果。
比例电磁铁具有结构紧凑、控制简单、反应迅速、动作可靠等优点，在电液比例控制中得到了广泛应用。
典型比例电磁铁工作原理
典型比例电磁铁工作原理典型比例电磁铁是一种常用的电磁设备，其工作原理基于电流通过线圈时会产生磁场的特性。
本文将介绍典型比例电磁铁的工作原理以及其应用。
典型比例电磁铁由一个线圈和一个铁芯组成。
线圈是由绕制在绝缘材料上的导线组成，而铁芯则是由磁性材料制成。
当通过线圈的电流改变时，会产生一个磁场，这个磁场会对铁芯产生吸引力或排斥力，从而使铁芯发生运动。
典型比例电磁铁的工作原理可以分为两个部分来解释。
首先是电磁铁的吸引力原理。
当通过线圈的电流增加时，线圈周围的磁场也增强，这个磁场会对铁芯产生吸引力，使铁芯向线圈移动。
相反，当通过线圈的电流减小时，磁场减弱，吸引力也减小，铁芯则会离开线圈。
其次是电磁铁的排斥力原理。
当通过线圈的电流方向改变时，线圈周围的磁场也会改变方向，这个改变的磁场会对铁芯产生排斥力，使铁芯远离线圈。
当线圈的电流方向再次改变时，磁场方向也再次改变，而这次的改变会使得铁芯再次向线圈移动。
典型比例电磁铁可以通过改变线圈中的电流大小和方向来控制铁芯的位置。
通过调整电流的大小和方向，可以使铁芯停留在任意位置，从而实现对铁芯位置的控制。
这种控制能力使得典型比例电磁铁在许多领域得到应用。
典型比例电磁铁广泛应用于自动控制系统中。
例如，在工业生产中，典型比例电磁铁可以用于控制阀门的开关，通过改变线圈中的电流大小和方向来控制阀门的位置和流量。
在汽车工业中，典型比例电磁铁可以用于控制喷油嘴的开关，通过调节电流来控制燃油的喷射量。
此外，典型比例电磁铁还可以用于电磁刹车系统、电磁离合器等自动控制系统中。
典型比例电磁铁的工作原理基于电流通过线圈时产生磁场的特性。
通过改变线圈中电流的大小和方向，可以控制铁芯的位置。
典型比例电磁铁在自动控制系统中得到广泛应用，如阀门控制、喷油嘴控制等。
通过了解和应用典型比例电磁铁的工作原理，可以更好地理解和使用这一重要的电磁设备。
第二章 常用术语和比例电磁铁
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液压反馈
对于比例控制系统而言，其优异的性能 和控制精度主要通过以下手段得到的：
1.阀内和系统中的液压反馈（压力反馈和流量反馈）
2.校正手段（含其采用的控制策略） 3.采用了比例电磁铁
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普通阀用电磁铁
阀用电磁铁根据所用电源的不同，有以下三种：①交 流电磁铁。 ②直流电磁铁。 ③本整型电磁铁。还可分为 湿式和干式电磁铁两种。
比例电磁铁的特点：
推力大、结构简单、对油质要求不高、维护方便、成 本低，衔铁腔可做成耐高压结构。
对比例电磁铁的要求：
1.水平的位移－力特性，即在比例电磁铁有效工作行程内， 当输入电流一定时，其输出力保持恒定，基本与位移无关。
2.稳态电流－力特性具有良好的线性度，死区及滞环小。
3.响应快，频宽足够宽。
比例电磁铁的使用、维护与调整
1.与先导级配合的比例电磁铁，其工作行程相当小，应限制 在比例电磁铁的有效行程内，即使它的整个工作行程处于 比例电磁铁的水平吸力区段。 2.比例电磁铁一般多为湿式直流电磁铁，要特别注意衔铁腔 是不是耐高压，耐多少高压，不耐高压的比例电磁铁一般 只能承受溢流阀、方向阀的回油压力。 3.对配用两个比电磁铁的比例方向阀，衔铁总行程包括工作 行程和空行程。当其中一个工作在工作区时，另一个运行 于非工作区（空行程区）。一般情况下，工作行程和空行 程相等，各为电磁铁总行程的一半。如衔铁行程为（3+3） mm，表示工作行程3mm，空行程3mm，即以电磁铁推杆 全部推出位置为起始点，将推杆向里面推3mm为水平吸力 工作区，再向里推3mm为非工作区。
2、行程控制型比例电磁铁
行程控制型比例电磁铁是在力控制型比例电磁 铁的基础上，将弹簧布置在阀芯的另一端得到的。 其中的弹簧是一个力－位移转换元件，电磁铁的输 出力通过弹簧转换为阀芯的位移，即行程控制型比 例电磁铁实现了电流－力－位移的线性转换。 这类比例电磁铁的工作行程比较大，用于控制 阀口开度（如比例节流阀、比例流量阀和比例方向 阀），其行程与比例阀阀口的开度相对应。行程控 制型比例电磁铁与力控制型比例电磁铁的特性基本 一致，即都具有水平的位移－力特性和线性的电流 －力特性。
阀用电磁铁及维修（2）双向比例电磁铁
阀用电磁铁及维修（2）双向比例电磁铁
图4为耐高压双向极化式比例电磁铁的结构原理。
这种比例电磁铁采用了左、右对称的平头一盆口形动铁式结构。
左、右线圈中各有一个励磁线圈1和控制线圈2。
当励磁线圈1通以恒定的励磁电流Ij后，在左右两侧产生极化磁场。
仅有励磁电流时，由于电磁铁左右结构及线圈的对称性，左右两端吸力相等、方向相反时，衔铁处于平衡状态，输出力为零。
当控制线圈通入差动控制电流后，左右两端总磁通分别发生变化，衔铁两端受力不相等而产生与控制电流数值相对应的输出力。
该比例电磁铁把极化原理与合理的平头一盆口动铁式结构结合起来，使其具有良好的位移－力水平特性以及良好的电流－输出力比例特性（见图5），且无零位死区、线性度好、滞环小，动态响应特性好。
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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。
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BD（见图2-5）表示衔铁以一定的速度表现出来的吸力特性——动态特性，其上的每一点都代表了电磁铁在相应气隙下的真实磁吸力。它的一部分用于克服负载做功，另一部分使衔铁加速，以动能形式储存起来。
静态吸力特性只是衔铁无限缓慢移动时的一种特例。由于动态吸力特性与负载有关，以致同一电磁铁也会有不同的动态吸力特性。习惯上把静态吸力特性作为电磁铁的吸力特性。
(2-1)
式中B0——等效气隙处的磁感应强度（T）；
S0——等效气隙端面积（m2）；
μ0——空气导磁率，其值为（H/m）。
（2）磁势方程
磁势方程反映了电磁铁正常工作时所需要的激磁势值，利用磁势方程可求出线圈所需要的激磁安匝数：
(2-2)
式中Rp,Rg——气隙磁阻和导磁体磁阻。
（3）电压方程
电流通过线圈便产生磁势,并引起发热。为了确定线圈的参数:圈数、线径、线圈电流等，使线圈能够在额定电压下，产生足够的磁势(IN)。这时需要用到线圈电压方程：
2.2
2.2.1
图2-2普通螺线管型电磁铁
1.非工作间隙；2.工作间隙；3.外壳；4.激磁线圈；5.档铁；6.衔铁
普通甲壳型螺线管电磁铁如图2-2所示，由外壳3、挡铁5、衔铁6、激磁线圈4组成。当线圈通有直流电I时，线圈便在铁芯中产生磁场，并形成闭合的磁力线路。电磁铁存在两个气隙，一个工作气隙2，另一个非工作气隙1。在电磁铁吸合过程中形成两个变化的磁通，即主磁通∮和变化的磁通∮L。衔铁6所受到的吸力主要由两部分组成。主磁通产生的力称为端面力，而漏磁通产生的力称为螺管力。对图示结构这两个力的方向是一致的。这两个力的合力就构成了总的电磁力。
（1）行程控制型比例电磁铁原理图
图2-10行程控制型比例电磁铁原理图
（2）行程控制型比例电磁铁示意图
行程控制型比例电磁铁是在力控制型比例电磁铁的基础上，将弹簧布置在阀芯的另一端得到的。
图2-10行程控制型比例电磁铁示意图
a）单个使用的行程控制型比例电磁铁b)成对使用的行程控制型比例电磁铁
2.4
比例电磁铁衔铁的位置通过位移传感器检测，与比例放大器一起构成位置反馈系统，就形成了位置调节型比例电磁铁。只要电磁铁运行在允许的工作区域内，其衔铁就保持与输入电信号相对应的位置不变，而与所受反力无关，即它的负载刚度很大。这类位置调节型比例电磁铁多用于控制精度要求较高的比例阀上。在结构上，除了衔铁的一端接上位移传感器(位移传感器的动杆与衔铁固定联接)外，其余与力控制型、行程控制型比例电磁铁基本相同。
（2）位置调节型比例电磁铁示意图
图2-13位置调节型比例电磁铁示意图
2.
比例电磁铁的初步设计主要涉及的基本方程有四个，即电磁吸力方程、磁势方程、电压方程和发热方程.这些方程反映了结构尺寸和物理参数之间的基本关系。此外还有表征电磁铁尺寸参数的合理取值范围的关系式，下面分别讨论。
（1）电磁铁的吸力方程
作为初步计算,计算基础为麦克韦斯公式,采用等效气隙磁导法较为简便。
（５）利用电压方程式计算导线截面积gx，计算出线圈能否容纳必要的匝数。
2.4
比例电磁铁种类繁多，但工作原理基本相同。它们都是根据比例阀的控制需要开发出来的。
根据所承受的压力等级，可分为耐高压和不耐高压的比例电磁铁。不耐高压的比例电磁铁一般只能承受溢流阀、方向阀等的回油腔压力。由于结构比较简单，仍有不少电液比例阀配用这类电磁铁。
根据所输出的运动参数，可分为直线运动的比例电磁铁和旋转运动的比例电磁铁(角位移式)。直线运动的比例电磁铁应用最为广泛。
(2)电—机械转换元件的要求
在电液比例技术中，对作为阀的驱动装置的电—机械转换元件的基本要求有以下几点：
（1）具有水平吸力特性，即输出的机械力与电信号大小成比例，与衔铁的位移无关；
（2）有足够的输出力和行程，结构紧凑、体积小；
（3）线性好，死区小，灵敏度高，滞环小；
（4）动态性能好，响应速度快；
（5）长期工作中温升不会过大，并在允许温升下仍能工作；
图2-4所示为普通电磁铁与比例电磁铁的静态吸力特性。所谓静态吸力特性就是在稳态过程中得到的吸力特性。与它相对应的是动态特性。
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，与衔铁位移关，如图2-4所示。
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。
控制型和位置调节型三种基本类型。本书按照这三种情况分类叙述各自的特点和应用。
此外，还有双向极化式耐高压比例电磁铁、插装阀式比例电磁铁、防爆比例电磁铁、内装集成比例放大器的比例电磁铁等等。有的比例电磁铁在其尾部装有手动应急装置，当控制线路发生故障导致比例电磁铁断电时，能手动控制比例阀。
直动式比例电磁铁的吸力特性有以下特点：在其工作行程范围内具有基本水平的位移－力特性，从而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。
2.3.2
在电磁铁的运动过程中，必然要克服机械负载和阻力而作功。对于普通电磁铁，一般都要求电磁吸力大于负载反力；而对于比例电磁铁，则衔铁处于电磁吸力与负载反力平衡状态，只有这样，电磁铁才能正常工作。为使电磁铁可靠的工作，应使吸力特性与负载特性有良好的配合。常见的负载反力的特性如图2-6所示。
2.4
力控制型比例电磁铁的基本特性是力—行程特性。在力控制型比例电磁铁中，衔铁行程没有明显变化时，改变电流I，就可以调节其输出的电磁力。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。
在控制电流不变时，电磁力在其工作行程内保持不变。如图2-7所示，这类电磁铁的有效工作行程约为1.5mm。
由于行程较小，力控制型电磁铁的结构很紧凑。正由于其行程小，可用于比例压力阀和比例方向阀的先导级，将电磁力转化为液压力。
这种比例电磁铁，是一种可调节型直流电磁铁，在其衔铁腔中，充满工作油液。
（1）力控制型比例电磁铁原理图和力—行程曲线
图2-7力控制型比例电磁铁原理图
图2-8力控制型比例电磁铁力—行程曲线
第二章
2.1
(1)电—机械转换元件的形式
目前，生产上应用的电—机械转换元件大多采用电磁式设计，并且利用电磁力与弹簧力相互平衡的原理，实现电—机械的比例转换。最常见的有直流伺服电机、步进电机、力矩马达、动圈式力马达以及动铁式力马达。后者更一般的称为比例电磁铁。从目前的使用情况来看，应用最为广泛的还是比例电磁铁，它目前已经成为最主要的电—机械转换元件。
位置调节型比例电磁铁在比例方向阀和比例流量阀上，可控制阀口开度，用在比例压力阀上，可获得精确的输出力。这种比例电磁铁具有很高的定位精度，负载刚度大，抗干扰能力强。由于这类比例电磁铁是一个位置反馈系统，故要与配套的比例放大器一起使用。
（1）位置调节型比例电磁铁结构图
图2-12位置调节型比例电磁铁结构图
2.2.2
图2-3单向比例电磁铁
1.轭铁；2.导向套锥端；3.衔铁；4.线圈；5.导向套；6.壳体
直流比例电磁铁是电液比例控制器件中应用最广泛的电—机械转换器。它也是装甲式螺管电磁铁，由于可动部分是衔铁，所以是一种动铁式马达，具有结构简单，价格低，功率／重量比大，能够输出较大的力和位移等特点。按比例电磁铁输出位移的形式，除最常见的单向直动式外，还有双向直动式。回转式比例电磁铁应用较少。
线圈通电后形成的磁路经壳体、导向套锥端到轭铁而产生斜面吸力；另一路是直接由衔铁端面到轭铁的输出力。
2.3
2.3.1
图2-4比例电磁铁的静态吸力—位移特性
1.比例电磁铁；2.普通电磁铁
电磁铁（直线力马达）是一种依靠电磁系统产生的电磁吸力，使衔铁对外做功的一种电动装置。其基本特性可表示为衔铁在运动中所受到的电磁力Fm与它的行程x之间的关系，即Fm＝f(x)。这个关系称为吸力特性。对比例电磁铁，要求它具有水平的吸力特性。
图2-6典型负载反力特性
a.恒力负载特性；b.弹簧负载特性；c.多级弹簧负载特性
对于吸合型电磁铁，在吸合过程中，电磁吸力特性曲线应在负载反力曲线的上方；而在释放运动中，负载反力必须大于电磁产生的剩磁力。
比例电磁铁在工作过程中电磁力总是与负载力相平衡，吸力特性曲线有很多条，而负载多为弹性负载，所以它工作时吸力特性与负载特性的配合情况如图2-4所示。负载弹簧的特性曲线与多条吸力特性曲线相交。对应不同的输入电流，电磁力的曲线水平上下平移，而他与弹簧特性曲线的相交点便是对应电流下的工作点。由图中可以看出，当电流改变时工作点也改变，比例电磁铁正是利用这一特性来实现电—机械信号的比例转换。
（２）求出衔铁的外径d1和盆底极靴（导套）的外径d2。半径间隙δ由实验确定，初步设计取δ＝0.02。
（３）计算所需安匝数IN。线圈最大工作电流可取800mA，也可取到1.2A，由此确定线圈匝数。
（４）利用发热方程式初步计算线圈长度lso，取bs＝ls/5，得出线圈厚度bs。并考虑到导套的外径及绝缘材料厚度，初定线圈的内、外直径Dw和Dn。
（6）能承受液压系统高压，抗干扰性好。
(4)比例电磁铁的概述
a.比例控制的核心是比例阀。比例阀的输入单元是电－机械转换器，它将输入信号转换成机械量。
b.比例电磁铁根据法拉第电磁感应原理设计,能使其产生的机械量(力或力矩和位移)与输入电信号(电流)的大小成比例，再连续地控制液压阀阀芯的位置，实现连续地控制液压系统的压力、方向和流量。
(2-4)
式中μs——散热系数；
ft——线圈填充系数；