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)

R esearch and T est of High Speed Switch Electromag netic V alve

L IU Xing 2hu a ,L I G u ang 2rong

(School of mechanical and Vehicle Engineering ,Beijing Inst.of Technology ,Beijing 100081,China )

Abstract :The high 2speed switch electromagnetic valve is a key equipment in the electromagnetic control sys 2

tem ,whose performance will influence the whole electromagnetic control system greatly.In this paper ,a new kind of high 2speed swicth electromagnetic valve with two loops is designed and tested.Some advise in the design of elec 2tromagnetic valve are given and its application to the control system is introduced.

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

K ey Words :I.C.Engine ;Electromagnetic Valve ;Testing ;Characteristic

中图分类号:T K406 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t 1和运行阶段t 2[3]。t 1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。t 2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,E 2m ail :lxh @ 。

第25卷(2004)第1期

内　燃　机　工　程　

Neiranji G ongcheng

Vol.25(2004)No.1

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=N IN Λδ,根据能量守

恒f m =-

I d Φ

2d δ

得:

f m =-(IN )2d Λδ

2d δ

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 m 为平均电磁力,N 。

如果工作气隙的磁压降为U md ,Λδ=1

R δ

那么电

磁力也可以表示为[4]:

f m =-(U md )2d Λδ2d δ=

Φ2

δd R δ

2d δ

当铁芯不饱和时,U md ≈IN ,气隙磁阻R δ=δ

μ0A ,代入上式得:

f m =

(IN )2μ0A

2δ

2

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 δ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