电磁铁性能测试可靠性研究综述

电磁铁性能测试可靠性研究综述
摘要：给出了具体比例电磁铁的性能参数测试分析方法，总结了国内外性能测试的研究现状和发展趋势，对电磁铁的设计提出了自己的看法。

关键字:性能测式比例电磁铁传感器位移-力特性电流-力特性
引言
磁力具有许多优点，如结构简单、易予控制、节约能源、减少污染等，越来越受到人们的重视，在机械工程领域中的应用也越来越广，最明显的表现就是国内外发明的磁力机械越来越多。

电磁铁、电磁离合器是应用在众多领域的重要电操纵装置，其电气性能的好坏直接关系到对被控对象的操纵与控制性能。

生产厂家在产品出厂前都要对其性能进行全面的测试，以确保产品的质量，电磁铁、电磁离合器主要检测的电气参数有：加电后的电磁力(吸力或推力)；动作行程与动作速度；接通电压和断开电压；寿命与初始电磁力。

以前的设备检测性能单一、检测技术简单，往往需要几种设备、经过几道工序、配合有经验的检验员手工操作才能完成检测。

其缺点是设备性能低，操作烦琐，工人劳动强度大，而且数据可靠性取决于操作者的熟练程度、人为因素较大。

现在，电液比例技术已广泛地应用于国民经济的各个部门，使得工业生产的自动化水平、控制精度及可靠性大大提高，较大地提高了社会生产力．而比例电磁铁做为电液比例元件和系统关键电气-机械转换动力元件，对比例电磁铁的性能参数进行测试分析，以满足各种用途的需要，有着十分重要的意义，由于目前国内还没有完整的关于比例电磁铁性能测试及试验方法，所以本综述同时参考了相关比例元器件的船舶行业标准规定的测试标准和试验方法。

电磁铁国内外研究进展与现状
1.1、发展背景
电液比例技术的优点突出体现在变工况和动态性能上，因此也成为了当前液压发展的主要方向之一。

各国政府和企业纷纷投入大量的人力和物力进行电液比例控制系统机的研究。

美国、德国、日本、英国等己有较成熟的产品推向市场，生产厂家主要有MagnetsehuztZ，bos，Binder，Rexroth，Boseh，Viekers等。

磁铁生产技术我国的电控技术应用尚处于起步阶段。

但它的应用与发展被认为是衡量一个国家工业水平和现代工业发展程度的重要标志，是液压工业又一个新的技术热点和增长点。

在我国同样有一大批主机产品的发展，需要应用该项技术，因此，将其列为促进我国液压工业发展的关键技术之一。

1.2、基本内容
经过多年的发展，比例电磁铁的品种比较多，但其基本结构原理和大致相同。

典型的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。

根据使用情况和调节参数不同，比例电磁铁可分为力型、位移型和位置调节型三种应用类型。

力型比例电磁铁直接输出力，它在工作区内，具有水平的位移一力特性，即输出力只与输入电流成比例，与位移无关。

位移型比例电磁铁是由力型比例电磁铁与负载弹簧共同工作而形成的。

电磁铁的输出力，通过弹簧转换成位移，即位移型比例电磁铁实现了电流-力-位移的线性转换。

这种类型的比例电磁铁，输出量是与电流成正比的位移，其工作行程较大，多用在直接控制型比例阀上。

位移型比例电磁铁与力型比例电磁铁结构完全相同，只有使用条件的区别，因此它们的控制特性曲线是一致的，都具有水平的位移一力特性和线性的电流-力特性。

1.3、性能测试
对于比例电磁铁，静态性能测试主要包括电流-力特性测试，位移-力特性测试；动态性能测试包括输出力阶跃响应特性，输出位移阶跃响应特性。

下面介绍列出一般的比例电磁
铁测试系统供参考。

静态性能测试和动态性能测试可以帮助我们根据其原理得出所需测试的参数等信息。

比如：启动电流、饱和电流、输出力、位移等。

比例电磁铁测试系统原理图
a)静态性能
输出力-行程(位移)特性：流经线圈以一定电流并保持不变，测定输出力和行程之间的相互关系。

在电磁铁行程范围内以正反行程做一完整循环的连续曲线，该曲线即为力一行程特性曲线。

若改变电流，重复上述试验便可以得到在不同电流下的一组曲线族，这组曲线族便完整表示了电磁铁输出力-行程特性，输出力-行程特性曲线的轨迹则为名义输出力一行程(位移)特性曲线，如图1.3-a1所示。

图1.3-a1输出力一行程(位移)特性曲线
额定输出力：在额定电流下的名义行程曲线中直线段两端输出力的算术平均
值，即
输出力-电流特性：通常把电磁铁铁芯固定在某一个位置，一般是额定工作行程的中点，然后改变输入控制电流得到相应输出力，在额定电流范围内以小于测试设备动态特性起作用的速度循环(通常不大于0.05Hz)，以正、反两方向改变电流大小作一完整循环得到连续曲线，该曲线即为输出力一电流特性曲线。

以曲线的中点轨迹为名义输出力-电流特性曲线，如图1.3-a2所示
图1.3-a2输出力-电流特性曲线
起始电流：在输出力一电流特性曲线上，输出力为零时的最大电流称为起始电流，单位
用mA表示。

b)动态性能
比例电磁铁动态特性包括瞬态响应和频率响应。

瞬态响应：将电磁铁铁芯固定于一定位置，一般在额定工作行程中点。

对线圈施加脉冲方向方波电压，其脉冲宽度远大于电磁铁瞬态响应时间(即T>t)，其电压幅值将于流入线圈的输入电流相对应，则测得电磁铁输出瞬时变化曲线，该曲线即为电磁铁瞬态响应曲线。

频率特性：将比例电磁铁铁芯固定于工作行程中点位置，对线圈施加在一定频率范围内带直流分量的正弦变化电压，其幅值保持恒定，以电磁铁输出力和输入电压的复数比表示为电磁铁的频率特性，通常以对数频率特性表示。

1.4、测试方法
电磁铁的额定值测试可以计算出额定电流、额定力、额定位移等指标;电磁铁的静态性能包括对应于不同输入信号线圈电流输出和电磁铁位移以及电磁铁作用力输出的特性。

具体方法是向控制器输入不同的电流控制信号，得到电磁铁位移以及作用力的变化与线圈电流相对应的情况，以求得电磁铁的位移输出、力输出与线圈电流的线性关系，即滞环、非线性度、重复精度、起始电流等指标。

电磁铁动态响应性能包括电磁铁的阶跃响应特性和频率响应特性。

从电磁铁的阶跃响应特性可以推断出电磁铁的响应快慢，包括上升时间、超调量、延迟时间。

从电磁铁的频率响应特性可以推断电磁铁的响应频率范围，包括幅频宽、相频宽等指标。

1.5、改进分析
根据现有文献所提供的参考，液压测试系统从起步至今，经历了两个阶段：手工测试、记录阶段；计算机辅助测试(CAT)阶段。

计算机辅助测试方法比人工测试方法优越，但它们的测试机理都是一脉相承的，其测试系统组成也基本相同。

在相关测试过程中静态指标相对容易得到，但是随着电液伺服／比例阀动态品质要求的不断提高，常用的动态测试手段频响有限，已经难以满足测试要求，因此比例电磁铁（特别是高速比例电磁铁）动态品质的测试已成为其性能测试中亟待解决的技术难点。

由于测试系统计算机辅助用得及较多，所以普遍的在辅助系统的改进上下功夫，这些下面都有介绍。

同时因为比例电磁铁动态品质的检测很大程度上取决于传感器的测试性能。

差动变压器式位移传感器(简称LVDT)作为电感式传感器的一种，目前在电液伺服阀中应用最为广泛。

所以新型传感器的应用上，我认为也是改进措施之一。

1.5.1国内研究方面
最早出现的是北京工业大学潘立新等人提出的有关电磁机构中电磁铁动态吸力特性的测定方案，应用电阻应变片电测技术对ZN4一10/100一16型真空断路器机构中所用的电磁铁的动态吸力特性进行了测试。

其测试原理非常简单，主要利用了电阻应变测试技术:将电阻应变片贴在与电磁铁铁芯相连的拉杆上，铁芯运动时拉杆受力变形，其变形量由电阻应变片转换成电压的变化送入动态电阻应变仪从而得到相应的应变值。

中国煤炭科学研究院上海分院液压研究所的杨璐硕士提出一种用“工控机+数据采集卡+传感器”测试装置替代传统的“传感器+函数记录仪”模式，测试程序由Visualc++开发．剥试过程中比例电磁铁的输入信号由数据采集卡发生，传感器的测试信号由数据采集卡采集输入到工控机，工控机再将剥试得到的力、位移或电流信号数据自动绘制成相关的比例电磁铁性能曲线，测试性能曲线可直接打印。

整个系统的自动化程度较高，测试效率比传统剥试方法高。

北京海泉公司开发的高精度位移传感器，性能指标与国际同行的水平相当。

LVDT结构简单，灵敏度高；但是，LVDT在动态测试时受载波频率以及过滤频率的局限，其响应速度受到限制，因此LVDT频响范围小，适用于接触式静态测量，不宜用于高频动态测量。

1.5.2国外研究方面
德国Zwick公司开发和生产了额定载荷高达2000KN的比例电碰铁测试机，可以对多种类型的比例电磁铁进行垂直和水平方向的测试．其功能较为齐全，自动化水平也较高，可进行“低”和“标准”两种等级的额定载荷分别为1KN和25KN的测试．同时，Zwick公司还开发了名为testexpert的通用测试软件。

美国Schaevitz公司作为全球领先的最大的LVDT生产厂商，其工程师Jackson Szczyrbak等细致的研究了LVDT的信号调理，对激励源、信号调制类型、放大器、过滤器以及专用的调理芯片等给以了详细的介绍。

日本KYB公司采用电涡流传感器作为其动圈式电一机械转换器的位移检测装置，协助完成闭环控制，实现了很好的控制精度；申请者提出了一种新型耐高压电涡流位移传感器，采用螺管式结构，能够实现高压环境下电机械转换器的位移检测。

总结与展望
目前测控方案的构成总的来说主要有如下几种：
1)“计算机+单片机(或DSPP的上下位机组合方案。

2)“工控机+数据采集卡”的测试系统。

3)“PLC+触摸屏”为基础的测试系统。

4)“工控机+PLC”构成的上下位机系统，以工控机为数据测试分析的上位机，PLC为定位控制的下位机。

近年来电液比例控制在国内外得到重视，并有了较快的发展。

其中比例电磁铁作为电子控制元件与液压阀之间的连接环节，还没有形成一套成熟的理论和设计方法。

特别是我国相对落后的传感器技术，一定程度上制约了测试性能可靠性的提高。

本文按照国家标准，对比例电磁铁的行程-力特性、电流-力特性、阶跃响应特性及频率响应特性总结测试内容，结合理论分析了测试比例电磁铁的性能，并采用相关方法国内外的研究方法。

我认为电磁铁的设计还应该考虑电磁计算、温度与温升、电磁铁的保护措施、环境因素及寿命等因素，我们需要将现有分开考虑的设计内容结合起来考虑、将传统设计方法中普遍忽略或未考虑的相关因素纳入设计过程，并给出分析和设计方法，以克服现有设计方法缺陷。

由于现今的测试系统都用作自动控制装置，我认为还可采用计算机与可编程控制器联合控制,提高了实验台的测控水平,进行故障判断、自动停机报警,从而避免测试过程机器引起的错误。

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