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。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。

2.2.2 单向比例电磁铁
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 比例电磁铁的特性分析
2.3.1 电磁铁的吸力特性
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 2-4 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。
图 2-5 比例电磁铁的动态特性
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。
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 电磁铁的负载特性
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。

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。

2.4 比例电磁铁的分类与应用
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。
根据参数的调节方式和它们与所驱动阀芯的联接形式，比例电磁铁可分为力 控制型、行程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。
2.4.1 力控制型比例电磁铁
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
（2）力控制型比例电磁铁与阀芯的连接方式 力控制型比例电磁铁直接输出力，它的工作行程短，可直接与阀芯或通过传 力弹簧与阀芯连接。

图 2-9 力控制型比例电磁铁与阀芯的连接方式 a）比例电磁铁通过传力弹簧作用在阀芯上 b）比例电磁铁直接作用在阀芯上
2.4.2 行程控制型比例电磁铁
在行程控制型电比例磁铁中，衔铁的位置由一个闭环调节回路进行调节。只 要电磁铁在其允许的工作区域内工作，其衔铁位置就保持不变，而与所受反力无 关。使用行程调节型比例电磁铁，能够直接推动诸如比例方向阀、流量阀及压力 阀的阀芯，并将其控制在任意位置上。电磁铁的行程，因其规格而异，一般在 3~5mm 之间。
如前所述，行程控制型比例电磁铁，主要用来控制作用式四通比例方向阀。 配上电反馈环节后，电磁铁的滞环及重复误差均较小。此外，作用在阀芯上的液 动力也受到抑制（与各种可能产生的干扰力相比，电磁力较小）。
在先导阀中，受控压力作用在一个较大的控制面积上，因此供使用的调节力 要大得多，而干扰力影响的百分比并不大。因此，先导式比例阀也可不带电反馈 机构。
（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
2.4.3 位置调节型比例电磁铁
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。
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）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
2.5 比例电磁铁的初步设计
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。
Fm
?
B02 S0 2?0
(N)
(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：
? ? IN ? B0S 0( R g? R )p
(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：
U
?
IRx
?
IN
?x? Dx gx
?
1 IN 2
?x? (DW ? DN ) gx
(2-3)
式中 gx ——导线截面积（m2）；Rx——线圈总电阻（Ω ）； I ——线圈电流（A）； Dx——线圈平均直径（m）； Dw——线圈外径（m）； Dn——线圈内径（m）； N ——线圈圈数； ρ x——导线在相应温度下电阻率（Ω /m）。
（4） 发热方程
发热方程是为了校核电磁铁线圈在长期工作下，温升是否超过其允许值。比
例电磁铁通常按长期工作计算。
式中
??
?x
( IN )2 (o C)
2 ?104 ?s ftbs ls
μs——散热系数； f t ——线圈填充系数； bs，ls——线圈厚度及长度（m）；
(2-4)

ρs——工作温度下的电阻率（Ω /m），查表可得。 比例电磁铁的设计步骤： 设计的已知条件通常是：最大电磁吸力 Fm，初始气隙 δ0，推杆直径 d0，线 圈电压 U0 及允许温升[θ] 。 综上所述，设计步骤如下： （１）求出结构因素 Kφ，查出电磁感应强度 B0。 （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。 （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。 （６）确定比例电磁铁的其余结构尺寸。 （７）进行必要的验算（例如温升等）工作。
2.6*比例电磁铁的使用与维护
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否耐高压，耐 多少压力，不耐高压的比例电磁铁一般只能承受溢流阀、方向阀等的回油压力。
3)对配用两个比例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，各为衔铁总行程的二分之一。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，将推杆向里推 3mm 为水平吸力的工作区，再向里推 3mm 为非工作区。
4)端头有放气螺钉的比例电磁铁，在液压系统启动之后到正常运行之前，应 给电磁铁放气。否则，滞留在电磁铁中的空气会影响比例阀的可靠运行。
5)为了保证静压平衡，衔铁前后腔有通道沟通，此通道断面大小要适当，在

保证快速性的前提下，要有一定阻尼。对位置调节型比例电磁铁，可取消液压阻 尼，以提高其快速性。
6)调零弹簧对比例电磁铁的稳态特性曲线有明显影响，其刚度和预压缩量应 选择适当。没有调零弹簧的比例电磁铁，一般亦有刚度很小的复位弹簧，以保证 在未通电时，电磁铁衔铁处于确定位置。
7)位置调节型比例电磁铁的位移传感器中的电感线圈与检测联杆间的相对 位置由生产厂家调整好后，不能随意变动。
8)电磁铁衔铁腔受污染后，应进行清洗。对于图 2-2 所示结构的比例电磁铁， 其拆卸的步骤为：拆开电磁铁后盖(或尾部调零弹簧装置)→取出调零弹簧及相应 附件→取出衔铁→取出限位片。清洗各部件后重新装配。在拆卸电磁铁时，一般 不需将线圈部分拆开，以免擦伤线圈，弄断导线。
目前，比例电磁铁广泛采用线圈可拆卸式的结构，如图 2-14 所示。
图 2-14 线圈可拆卸式比例电磁铁 1.限位片；2.推杆；3.工作气隙；4.导套；5.非工作气隙； 6.应急手动推杆；7.橡胶螺母；8.衔铁；9.轴承环；10.隔磁环
拆卸时，拧下尾部的橡胶螺母，就可抽出线圈部分，然后，可用扳手取出比 例电磁铁芯轴，再按图 2-2 所示的比例电磁铁的拆卸步骤进一步分解。这种结构 的比例电磁铁，其拆卸和装配过程变得更加简单，且线圈部分具有互换性。
一般情况下，经内部分解后又重新装配的比例电磁铁，应随比例阀一起在实 验台上进行重新调试，以确保其零点和增益符合比例阀控制特性的要求。

9)比例电磁铁上的手动应急机构，用来在断电或比例控制放大器出现故障 时，手动操作系统，系统布置时应留出手动操作空间。
10)通过比例放大器调整颤振信号，应在保证比例阀的稳定性和小电流信号 的良好稳态特性的前提下，使滞环尽可能小。一般由生产厂家根据比例阀的控制 要求调整好，用户不要随意调整。
11)通过调节比例电磁铁调零弹簧，可调整比例阀先导级的零位及比例阀的 死区，以获得满意的比例阀控制特性。
12)国内外生产比例电磁铁的厂家很多，但不同厂家的比例电磁铁在结构和 性能上仍有差别。因此，即使是同一规格的比例电磁铁，由于生产厂家不同，也 不能相互简单替代。

一种比例电磁铁控制电路的设计

第4期 2011年4月 工矿自动化 Industry and M ine A ut omatio n No.4 Apr.2011 文章编号:1671-251X(2011)04-0074-03 一种比例电磁铁控制电路的设计 赵江辉, 王淑红 (太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原 030024) 摘要:采用AT89S51单片机设计了一种比例电磁铁控制电路。该电路首先由AD 转换电路将采集到的模拟量信号转换为数字量后输入AT89S51进行处理,AT 89S51输出的PWM 信号经功率转换电路处理后作用于比例电磁铁,从而控制比例电磁铁动作。调试运行结果验证了该电路的有效性。关键词:比例阀;比例电磁铁;单片机控制;压力传感器 中图分类号:TD679 文献标识码:B Design of a Cont rol Circuit of Proport ional Solenoid ZH AO Jiang hui, WA NG Shu hong (College of E lectr ical and Pow er Engineering of T aiyuan University of T echnolo gy, Taiyuan 030024,China) Abstract :T he paper introduced a design o f co ntro l circuit o f pr opo rtio nal so lenoid based on AT89S52sing le chip micr ocom puter.T he circuit uses ADC circuit to conv er t collected analog signals into dig ital sig nals for further pr ocession by AT89S51,and PWM sig nal output by AT 89S51to make propo rtio nal solenoid act after processio n of po w er conversio n circuit.The debug ging and running results show ed validity of the circuit. Key words :proportional valve,proportional so lenoid,co ntrol by single chip microcomputer,pressur e senso r 收稿日期:2010-12-20 基金项目:山西省自然科学基金资助项目(2008012005-1) 作者简介:赵江辉(1986-),男,山西吕梁人,硕士研究生,研究方向为电机与电器。E m ail:w enshu i200@https://www.wendangku.net/doc/224047648.html, 0 引言 比例电磁铁结构简单,控制方便,容易维修,是应用非常广泛的电-机械转换器[1] ,其力能特性和工作可靠性对整个控制系统有十分重要的影响。比例电磁铁在额定行程范围内的推力与线圈上的电流大小成正比,通常用作液压元件比例阀的执行元件,用于将比例控制放大器输出的电流信号变化转换成相应的位移或力信号变化,适用于DC 24V 的比例控制放大器控制系统。 比例电磁铁作为比例阀的执行元件,其力能特性的好坏直接关系到比例阀的性能输出,因此,有必要设计一种控制电路,使比例电磁铁的输出性能满足比例阀的实际工作要求。本文采用AT89S51单 片机设计了一种比例电磁铁控制电路。该电路通过AT89S51输出的PWM 信号[2]来控制比例电磁铁动作,使其达到理想的力能输出特性。1 电路整体设计 根据可靠性、经济性、稳定性的设计原则,将比例电磁铁控制电路分为AD 转换模块、主控制器、功 率转换模块和执行器件这4个功能模块,如图1所示。其中AD 转换模块用于接收外界输入的模拟信号,输出可供主控制器接收的标准信号;主控制器模块以AT 89S51为核心,输出PWM 信号来控制功率转换模块中的开关器件,达到调整输出电流的目的,调整后的电流信号进入执行器件(本文指比例电磁铁),使其输出预期的位移与力信号。 图1 比例电磁铁控制电路组成

比例电磁铁综述-完整版

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。 图1 比例电磁铁的结构 动子由两种不同的材料组成，中间的是导磁材料(电磁纯铁—中间开孔)，左边的推杆导磁，右边的推杆非导磁。动子由油布轴承支承，推杆用以输出力。为了动子可以左右运动，在左端右挡板，在右端装有弹簧组成的调零机构。 导套前后两段由导磁材料制成，中间用一段非导磁材料—隔磁环。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。本电磁铁中因为有导套中隔磁环的特殊设计才有了输出力是准恒定的特性。 图2 隔磁环（焊铜） 在一定的位移范围内，动子的输出力为一准恒定值。根据电磁铁基本工作原理，在动子运动过程中，磁阻会越来越小，动子受力越来越大，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—隔磁环就是使动子输出力恒定的原因。 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，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1a 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2a F ，二者综合得到比例电磁铁输出力a F 相对于衔铁位移的水平特性。 图3 比例电磁铁的磁路分布

φ产生的端面力为： 1 φ产生的轴向附加力为： 2 图4 不同时刻电磁铁内部磁力线分布 2. 比例电磁铁的工作过程 对工作中的电磁铁来说，在通电或断电或一定电流(电压)下动子能快速准确地到达指定位置，但实际上由于存在电感和动子质量，或负载的原因，使得动子的运动过程变得复杂。 电磁阀吸合运动过程可分为两个阶段:吸合触动时间t1和吸合运动时间t2，t1是从线圈得到电压起到电流按指数曲线增至吸合电流为止的过程，在此过程中衔铁尚未运动，这段时间是由于电与磁的惯性引起的滞后时间，取决于电磁铁的结构、材料、线圈电压、电感的大小和弹簧预紧力大小；进入t2阶段后，吸力大于预紧力，衔铁开始运动，电流变化规律就比较复杂:由于工作气隙在衔铁运动过程中逐渐减小，使线圈电感逐渐增大并产生反电势，它与线圈自感电势一起，共同阻止线圈电流的增长，致使线圈电流增大到一定程度后不仅不再增大，反而有减小趋势，直到衔铁闭合，工作气隙不再变化，反电势为零，电流按新的指数曲线上升至稳态电流。这段时间取决于阀芯所受的各种阻力。对于电磁阀的释放过程，如果忽略磁导体中涡流的影响，当线圈信号切除后，电流立即降为零，衔铁随即开始运动，故其释放触动时间接近于零，远较吸合触动时间短。 图5 电磁铁的电流曲线 图6 （不同电流下）比例电磁铁的力——位移曲线

Infolytica软件电磁铁解决方案

INFOLYTICA专业电磁场仿真软件 ――电磁铁解决方案 海基科技 2010 年 1月

目录 1. 采用电磁有限元软件分析电磁铁的重要性 (3) 2.应用INFOLYTICA软件分析电磁铁的优点 (3) 2.1主要优点概述 (3) 2.2在电磁铁分析中的优点 (4) 2.2.1 CAD接口功能 (4) 2.2.2 动态仿真能力 (5) 2.2.3 与simulink联合仿真 (6) 2.2.4 磁热耦合计算 (7) 2.2.5 优化设计 (8) 3. INFOLYTICA软件在电磁铁中的应用实例 (9) 3.1问题描述 (9) 3.2仿真结果 (10) 3.2.1 磁场分布 (10) 3.2.2 新老模型吸合过程比较 (11) 3.2.3新老模型提升过程比较 (15) 3.2.4 老模型提升过程（500ms） (21) 3.2.5新模型提升过程（500ms） (23) 4. 软硬件配置建议 (25) 5. 部分客户列表 (26) 6. 海基公司简介 (26)

1. 采用电磁有限元软件分析电磁铁的重要性 电磁铁利用通电线圈激磁产生电磁力，驱动阀芯运动以开启和关闭阀门，结构紧凑、尺寸小、重量轻、密封良好、维修简便、可靠性高，是自动控制领域的重要部件。但是，电磁铁的电磁设计目前往往还停留在基于磁路的方式、凭经验公式或模仿国外同类产品，产品性能靠估算和事后测试。 比例电磁铁关系是到电子调速器可靠性的重要装置，其功能是将输入的电流信号，转换成力或位移信号输出，其轴向推力与线圈电流成正比且在有效行程范围内保持恒定。由于影响比例电磁铁性能特性的结构参数较多，传统设计一般采用磁路法，对各个结构参数作用评估往往不够具体和准确，需要采用电磁有限元方法进行准确计算。 在电喷系统中，高速电磁阀借助于控制电磁铁产生的电磁吸力，使得电磁阀芯正、反向高速运动，从而实现液流在阀口处的交替通、断功能。其高速响应特性是高速电磁阀设计应考虑的重要指标。通过电磁阀材料的选择、结构优化及驱动电路设计等方面进行综合优化，可以获得较好的动态响应特性。电磁力的计算并获得其数值的大小是进行理论分析的基础，但是在实际计算中都采用磁路法，进行了较多的简化，其计算结果与实际结果必然相差较大。因此。目前在电磁阀研究中，采用磁路法给出定性的指导，大量工作是通过试验进行优化研究，这将大大增加研发周期和成本。 随着计算机技术的发展，电磁场数值计算技术已用于电机工程领域，有限元法因几何适应性强、易于处理非线性、非均匀媒质等优点，已成为最有效、应用最广泛的方法。采用电磁场有限元方法对电磁阀进行计算，可以考虑磁场分布中的漏磁现象和磁场饱和现象，计算结果更加接近实际结果。采用有限元法可大大缩短电磁阀开发设计的周期，增加阀的多样性，提高产品的性能，增强市场竞争力。 2.应用Infolytica软件分析电磁铁的优点 2.1 主要优点概述 Infolytica的软件作为专业而且历史悠久的电、磁、热仿真软件，无论从操作上或是求解精度或是技术支持上，别的软件都是无法比拟的，其优点主要可以总结为以下几点： 9真实和友好的视窗界面，使用户容易迅速了解软件功能。 9模型的所有参数和求解结果等存储在一个压缩的文件内，减少存储空间，便于统一管理。 9非常方便的几何建模能力，可以快速处理各种复杂几何形状。 9与其他三维设计软件的接口能力，包括：AutoCAD， SAT，CATIA，IGES，Pro/E，TEP，Inventor，etc. 9所建立的模型，在MagNet，ThermNet，ElecNet任一软件中建立的模型可以直接在另外两个软件内使用，无须重复建模。 9可编辑和自定义的材料属性。 9隐含网格剖分，和自适应网格。 9方便的定义边界条件。 9可以定义与模型连接的电路。 9领先于其他软件厂商同类产品的高效稳定的求解器。 9求解器可以分析2D/3D模型的：静磁场，时间谐振场，瞬态场，有运动部件模型的瞬态场。 9运动求解器支持多个运动部件的任意运动。 9提供详细和精确的仿真结果，使设计人员可以全面的了解所设计模型的性能。 9求解量的自动化的图表处理。 9Infolytica的磁场分析软件Magnet 可以和热场分析软件ThermNet进行耦合求解。 9强大的参数化功能，可将模型几何，材料，激励，网格属性等量参数化，进行多个工况的求解。 9完备的脚本语言,可以容易的对软件进行二次开发。 9基于ActiveX，可以和其他基于同样技术的软件接口，如MatLab, Excel，等。 9多个实用的插件可以免费下载供用户使用，并且在不断扩充。 9大量的在线应用实例，提供各种类型的应用实例，包括多个TEAM 的基准算例。

电磁铁设计

直流电磁铁设计 共26 页 编写： 校对：

直流电磁铁设计 电磁铁是一种执行元件，它输入的是电能，输出的是机械能。电能和机械能的变换是通过具体的电磁铁结构来实现的。合理的电磁铁结构是能量变换效率提高的保证。电磁铁设计的任务是合理的确定电磁铁的各种结构参数。确定电磁铁的各种结构参数是一个相当复杂的任务，下面我们探讨确定电磁铁结构参数的一般方法。电磁铁吸合过程是一个动态过程,设计是以静态进行计算. 一、基本公式和一般概念 1、均匀磁场B= S Φ（T ） 2、磁势F=NI,电流和匝数的乘积（A ） 3、磁场强度H= L NI （A/m ），建立了电流和磁场的关系。 该公式适用于粗细均匀的磁路 4、磁导率μ= H B 建立了磁场强度和磁感应强度（磁通密度）的关系。 μ0=4π×10-7享/米 相对磁导率μr =0 μμ 5、 磁通Φ= M R NI 磁阻R M = s l μ 这称为磁路的欧姆定律，由于铁磁材料的磁导率μ不是常数，使用磁阻计算磁路并不方便，磁阻计算一般只用于定性。

6、磁感应强度的定义式B=qv F ，磁感应强度与力的关系。 7、真空中无限长螺线管B=μ0nI 。对于长螺线管，端面处的 B=21 μ0nI 。 面积Ⅰ为断电后剩留的能量，面积Ⅱ为作功前电磁铁储存的能量，面积Ⅲ为电磁铁作的功。

我们的目的是使Ⅰ和Ⅱ的面积最小，Ⅲ的面积最大。 面积Ⅰ表示电磁铁作完功后的剩磁，（1）减小面积Ⅰ可用矫顽力小的电铁。（2）提高制造精度，使吸合后气隙最小，但要防止衔铁粘住。 面积Ⅱ表示作功前所储存的能量，在衔铁位置一定时，取决于漏磁通，漏磁通大，面积Ⅱ就大。 9、机械效率 A K1= A A：输出的有效功 A0：电磁铁可能完成的最大功。 10、重量经济性系数 G K2= A G=电磁铁重量。 A0：电磁铁可能完成的最大功。 K2不仅取决于磁效率和机械效率，而且还取决于磁性材料的正确利用，电磁铁的类型和主要外形尺寸之间保持合理的比例关系。11、结构系数Kυ 每一类型的电磁铁，都有一定的吸力和行程。按最优设计方法设计的电磁铁重量最轻。一般来说，长行程的电磁铁比短行积的电磁铁长，吸力大的电磁铁比吸力小的电磁铁外径大。 为了按最小材料消耗率比较电磁铁，引入结构系数K J这个判据。

比例电磁铁综述-完整版讲课教案

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。 图1 比例电磁铁的结构 动子由两种不同的材料组成，中间的是导磁材料(电磁纯铁—中间开孔)，左边的推杆导磁，右边的推杆非导磁。动子由油布轴承支承，推杆用以输出力。为了动子可以左右运动，在左端右挡板，在右端装有弹簧组成的调零机构。 导套前后两段由导磁材料制成，中间用一段非导磁材料—隔磁环。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。本电磁铁中因为有导套中隔磁环的特殊设计才有了输出力是准恒定的特性。 图2 隔磁环（焊铜） 在一定的位移范围内，动子的输出力为一准恒定值。根据电磁铁基本工作原理，在动子运动过程中，磁阻会越来越小，动子受力越来越大，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—隔磁环就是使动子输出力恒定的原因。 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，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1a 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2a F ，二者综合得到比例电磁铁输出力a F 相对于衔铁位移的水平特性。

图3 比例电磁铁的磁路分布 φ产生的端面力为： 1 φ产生的轴向附加力为： 2 图4 不同时刻电磁铁内部磁力线分布 2. 比例电磁铁的工作过程 对工作中的电磁铁来说，在通电或断电或一定电流(电压)下动子能快速准确地到达指定位置，但实际上由于存在电感和动子质量，或负载的原因，使得动子的运动过程变得复杂。 电磁阀吸合运动过程可分为两个阶段:吸合触动时间t1和吸合运动时间t2，t1是从线圈得到电压起到电流按指数曲线增至吸合电流为止的过程，在此过程中衔铁尚未运动，这段时间是由于电与磁的惯性引起的滞后时间，取决于电磁铁的结构、材料、线圈电压、电感的大小和弹簧预紧力大小；进入t2阶段后，吸力大于预紧力，衔铁开始运动，电流变化规律就比较复杂:由于工作气隙在衔铁运动过程中逐渐减小，使线圈电感逐渐增大并产生反电势，它与线圈自感电势一起，共同阻止线圈电流的增长，致使线圈电流增大到一定程度后不仅不再增大，反而有减小趋势，直到衔铁闭合，工作气隙不再变化，反电势为零，电流按新的指数曲线上升至稳态电流。这段时间取决于阀芯所受的各种阻力。对于电磁阀的释放过程，如果忽略磁导体中涡流的影响，当线圈信号切除后，电流立即降为零，衔铁随即开始运动，故其释放触动时间接近于零，远较吸合触动时间短。 图5 电磁铁的电流曲线

电磁铁的设计计算

电磁铁的设计计算 1原始数据 YDF-42 电磁铁为直流电磁铁工作制式为长期根据产品技术条件已知电磁铁的工作参数 额定工作电压UH=24V 额定工作电压时的工作电流IH ≤1A 2 测试数据 测试参数工作行程δ=1mm 吸力F=7.5kg 电阻R=3.5Ω 4 设计程序 根据已测绘出的基本尺寸通过理论计算确定线圈的主要参数并验算校核所设计出的电磁铁性能 4.1 确定衔铁直径dc 电磁铁衔铁的工作行程比较小因此电磁吸力计算时只需考虑表面力的作用已知工作行程δ=1mm 时的吸合力F=7.5kg 则电磁铁的结构因数 K = F／δ7.5／0.1=27 (1) 电磁铁的结构形式应为平面柱挡板中心管式 根据结构因数查参考资料，可得磁感应强度BP=10000 高斯 当线圈长度比衔铁行程大的多时,可以不考虑螺管力的作用,认为全部吸力都由表面力产生由吸力公式 F= （Bp/5000）2×Π／4×dc2 (2) 式中Bp磁感应强度(高斯) dc 活动铁心直径(毫米) 可以求得衔铁直径为 dc= 5800×F Bp = 5800×7.510000 =1.59cm=15.9mm 取dc=16 mm 4.2 确定外壳内径D2 在螺管式电磁铁产品中它的内径D2与铁心直径dc之比值n 约为2~ 3 ,选取n=2.7 D2=n ×dc=2.76×16=28.16 毫米(3) 式中D2 外壳内径毫米 4.3 确定线圈厚度 bk= D2?dc 2 ?Δ(4) 式中bk -----线圈厚度毫米 Δ------线圈骨架及绝缘厚度毫米今取Δ=1.7 毫米 bk= 28.16?16 2 ?1.7 =4.38毫米 今取bk=5 毫米 4.4 确定线圈长度 线圈的高度lk与厚度bk比值为β,则线圈高度

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。

电磁铁设计计算书

电磁铁设计计算书 河北科技大学电气工程学院 张刚 电磁铁设计中有许多计算方法，但有许多计算原理表达的不够清晰，本人参照“电 磁铁设计手册”一书，对相关内容进行了整理补充，完成了一个直流110V 拍合式电磁铁的计算。 设计一个拍合式电磁铁，它的额定工作行程为4mm ，该行程时的电磁吸力为0.8公 斤，用在电压110V 直流电路上，线圈容许温升为65℃。 1) 初步设计 第一步：计算极靴直径 电磁铁的结构因数为： 0.8 2.2F K φδ = = ≈ 查空气气隙磁感应强度与结构因数的经济表格，如下图所示： 从图中可查得，气隙磁感应强度最好取为p B =2000Gs 。 极靴的表面积为： 2 2 2500050000.852000n p S F cm B ????==?= ? ? ????? 极靴直径为： 445 2.52 3.14 n n S d cm π ?= = = 取n d =2.5cm ，则2 4.9n S cm =。磁感应强度p B 增加为2040Gs 。 第二步，计算铁芯直径 材料采用低碳钢，其磁感应强度取cm B =11000Gs ，漏磁系数σ取2，则：

222040 4.9 1.1811000 p n cm cm B S S cm B σ??= = = 铁芯直径为： 1.52c d cm = = = 取 1.5c d cm =，则2 1.77cm S cm = 第三步，计算线圈磁动势 线圈的磁动势NI 为工作气隙磁动势、铁芯磁动势和非工作气隙磁动势的和，记 为： ()()()cm n NI NI NI NI δ=++ 计算中，可取： ()()()cm n NI NI a NI += 这里a=0.15~0.3,也就是铁芯磁动势和非工作气隙磁动势的和约占总磁动势的 15%~30%。 因此，线圈的磁动势应为： ()()() 42 7 102040100.4109321141010.3p p B B NI a a δ μδμπ---????==?=≈--?-安匝 系统一般要求电压降到85%U n 时仍能正常工作，在额定电压U n 下的磁动势为： ()1 10950.85 NI NI = =安匝 计算温升时，一般取额定电压U n 的1.05~1.1倍，此时的磁动势为： ()2 1.051150NI NI =?=安匝 第四步,计算线圈尺寸 1)推导计算线圈厚度公式 线圈的温升公式为： m P S θμ= ? 这里： θ：温升，单位℃； P ：功率，单位W ； m μ：线圈的散热系数，单位2/W cm ?℃；

比例电磁铁与普通电磁铁的区别

一、比例电磁铁产生一个与输入变量成比例的力或位移输出 液压阀以这些输出变量力或位移作为输入信号就可成比例地输出流量或压力 这些成比例输出的流量或压力输出对于液压执行机构或机器动作单元而言意味着不仅可进行方向控制而且可进行速度和压力的无级调控 ─同时执行机构运行的加速或减速也实现了无级可调如流量在某一时间段内的连续性变化等. 二、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，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。 三、比例阀，又称电液比例阀，是一种介于通断控制与伺服控制之间的新型电液控制元件。是根据电信号连续的、按比例地控制液压系统中的压力、流量、方向，并可以防止液压冲击。由于其结构设计、工艺性能、使用价格都介于通断控制元件和伺服控制之间，近年来得到广泛应用。 控制原理：当电信号输入其电磁系统中，便会产生与电流成比例的电磁推力，该推力控制相应元件和阀芯，导致阀芯平衡系统调定的压力，使系统压力与电信号成比例。如输入电信号按比例或一定程序变化，则系统各参数也随着变化. 比例阀一般采用两端承压面积不等的差径活塞结构。工作原理如图12-9所示，比例阀不工作时，差径活塞2在弹簧3的作用下处于上极限位置。此时阀门1保持开启，因而在输入控制压力P1与输出压力P2从零同步增长的初始阶段，总是P1=P2。但是压力P1的作用面积为A1=π（D2-d2)/4，压力阀的作用面积为A2=πd2/4，因而A2>A1，故活塞上方液压作用力大于活塞下方液压作用力。在P1、P2同步增长过程中当活塞上、下两端液压作用之差超过弹簧3的预紧力时，活塞便开始下移。当P1和P2增长到一定值Ps时活塞2内腔中的阀座与阀门1接触，进油腔与出油腔即为隔绝。此即比例阀的平衡状态。 若进一步提高P1则活塞将回升，阀门再度开启。油液继续流入出油腔使P2也升高但由于A2＞A1，P2尚未及增长到新的P1值，活塞又下降到平衡位置。在任一平衡状态下，差径活塞的力的平衡方程为：P2A=P1A1+F(此处F为平衡状态下的弹簧力)。

电磁铁设计

电磁铁设计

直流电磁铁设计

直流电磁铁设计 电磁铁是一种执行元件，它输入的是电能，输出的是机械能。电能和机械能的变换是通过具体的电磁铁结构来实现的。合理的电磁铁结构是能量变换效率提高的保证。电磁铁设计的任务是合理的确定电磁铁的各种结构参数。确定电磁铁的各种结构参数是一个相当复杂的任务，下面我们探讨确定电磁铁结构参数的一般方法。电磁铁吸合过程是一个动态过程,设计是以静态进行计算. 一、基本公式和一般概念 1、均匀磁场B= S Φ （T ） 2、磁势F=NI,电流和匝数的乘积（A ） 3、磁场强度H= L NI （A/m ），建立了电流和磁场的关系。 该公式适用于粗细均匀的磁路 4、磁导率μ= H B 建立了磁场强度和磁感应强度（磁通密度）的关系。 μ0=4π×10-7享/米 相对磁导率μr =0 μμ 5、 磁通Φ= M R NI 磁阻R M = s l μ 这称为磁路的欧姆定律，由于铁磁材料的磁导率μ不是常数，使用磁阻计算磁路并不方便，磁阻计算一般只用于定性。

6、磁感应强度的定义式B= qv F ，磁感应强度与力的关系。 7、真空中无限长螺线管B=μ0nI 。对于长螺线管，端面处的 B=2 1μ0nI 。 面积Ⅰ为断电后剩留的能量，面积Ⅱ为作功前电磁铁储存的能量，面积Ⅲ为电磁铁作的功。

我们的目的是使Ⅰ和Ⅱ的面积最小，Ⅲ的面积最大。 面积Ⅰ表示电磁铁作完功后的剩磁，（1）减小面积Ⅰ可用矫顽力小的电铁。（2）提高制造精度，使吸合后气隙最小，但要防止衔铁粘住。 面积Ⅱ表示作功前所储存的能量，在衔铁位置一定时，取决于漏磁通，漏磁通大，面积Ⅱ就大。 9、机械效率 A K1= A A：输出的有效功 A0：电磁铁可能完成的最大功。 10、重量经济性系数 G K2= A G=电磁铁重量。 A0：电磁铁可能完成的最大功。 K2不仅取决于磁效率和机械效率，而且还取决于磁性材料的正确利用，电磁铁的类型和主要外形尺寸之间保持合理的比例关系。11、结构系数Kφ 每一类型的电磁铁，都有一定的吸力和行程。按最优设计方法设计的电磁铁重量最轻。一般来说，长行程的电磁铁比短行积的电磁铁长，吸力大的电磁铁比吸力小的电磁铁外径大。 为了按最小材料消耗率比较电磁铁，引入结构系数K J这个判据。

比例电磁铁与单片机的接口电路

2001年9月 第3期 河　北　工　程　技　术　高　等　专　科　学　校　学　报 JOU RNAL O F H EBE I EN G I N EER I N G AND T ECHN I CAL COLL EGE Sep.2001 N o.3 文章编号:1008-3782(2001)03-0026-02 比例电磁铁与单片机的接口电路 刘洪恩 (河北工程技术高等专科学校电气工程系,河北沧州　061001) 摘要:介绍了比例电磁铁的性能参数及其特性,设计了一个由单片机控制的实用接口电路。 关键词:比例电磁铁;单片机;D A转换;驱动电路 中图分类号:TM57413 文献标识码:A 比例电磁铁(以下简称电磁铁)的动力头在其额定行程范围内的推力与通入其线圈的电流成正比,通常作为动力元件去连续、按比例地控制液压系统的运动力、速度和方向,也可在其它需要作用力自动控制的装置上作为线性动力元件,如自动油门控制等。 当电磁铁与单片机一起构成一个自动控制系统时,由于电磁铁的工作电压较高,工作电流较大(如GP45242A的最高工作电压为20V,最大工作电流为018A),又是模拟控制,因此须在单片机与电磁铁之间设计相应的接口电路,即D A转换和驱动电路。 1　比例电磁铁性能参数及特性曲线 表1所示为德国比索(B SO)控制技术有限公司生产的GP系列比例电磁铁的主要性能参数;图1为GP45242A型电磁铁的特性曲线。 表1　GP系列比例电磁铁性能参数 型号额定行程 mm 额定推力 N 额定电流 A 常温电阻 8 额定功率 W 力滞环 % GP35242A GP45242A GP61242A 2 3 4 50 80 145 0168 018 115 2416 1915 1010 1114 1411 2218 3 3 3 图1　GP45242A型特性曲线 2　电磁铁与单片机接口电路 收稿日期:2000206226 作者简介:刘洪恩(19632),男,河北盐山人,河北工程技术高等专科学校讲师、工程师。

电磁铁的设计计算

电磁铁的设计计算 一. 电磁铁的吸力计算 1. 曳引机的静转矩 T=[（1-φ）Q ·g ·D/（2i ）]×10-3 式中：φ-------对重系数（0.4-0.5） g---------重力加速度 9.8m/s 2 i----------曳引比 Q---------额定负载 kg D--------曳引轮直径 mm T=[（1-Text1(3)）×Text1(0) ×9.8×Text1(1)/（2×Text1(2)）]×10-3 = Text1(16) Nm 2. 制动力矩 取安全系数S=1.75-2 取S= Text1(5) Mz=S ·T= Text1(5)×Text1(16)= Text1(6) Nm 3. 电磁铁的额定开闸力 u--------摩擦系数 0.4-0.5,取0.45； Dz------制动轮直径 Dz= Text1(8)mm F N = ) 321(103 1L L L uD L M Z Z ++? = Text1(6)×Text1(11)×103/(Text1(7)×Text1(6)×Text1(9)) = Text1(12)N L1，L2，L3所示详见右图 4. 电磁铁的过载能力 5.11=N F F F1----电磁铁的最大吸力； 5. 所需电磁铁的最大吸力 F1=1.5F N =1.5×Text1(12)= Text1(13)N 6. 电磁铁的额定功率 1021 F P == Text1(14) W 7. 电磁铁的额定工作电压，设计给定 U N =110 V 8. 额定工作电流 N N U P I == Text2(13) A 9. 导线直径的确定 （电密 J=5—6 A/mm 2 ） J= Text2(1) A/mm 2 裸线 J I d N π4'0== Text2(12) mm 绝缘后导线直径 d ’ = Text2(6) mm 10. 衔铁的直径（气隙磁密 B δ=0.9-1T ）取B δ= Text2(2) T

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。这种特殊形式磁路的形成，主要是由于采用了隔磁环结构，构成了一带锥形周边的盆型极靴。因此，盆口

电磁铁的设计计算

电磁铁的设计计算 一.电磁铁的吸力计算 1.曳引机的静转矩 T=[（1-φ）Q·g·D/（2i）]×10-3 式中：φ-------对重系数（0.4-0.5） g---------重力加速度9.8m/s2 i----------曳引比 Q---------额定负载kg D--------曳引轮直径mm T=[（1-Text1(3)）×Text1(0) ×9.8×Text1(1)/（2×Text1(2)）]×10-3 = Text1(16) Nm 2.制动力矩取安全系数S=1.75-2 取S= Text1(5) Mz=S·T= Text1(5)×Text1(16)= Text1(6) Nm 3.电磁铁的额定开闸力 u--------摩擦系数0.4-0.5,取0.45； Dz------制动轮直径Dz= Text1(8)mm F N = = Text1(6)×Text1(11)×103/(Text1(7)×Text1(6)×Text1(9)) = Text1(12)N L1，L2，L3所示详见右图 4.电磁铁的过载能力 F1----电磁铁的最大吸力； 5.所需电磁铁的最大吸力 F1=1.5F N =1.5×Text1(12)= Text1(13)N 6.电磁铁的额定功率 = Text1(14) W 7.电磁铁的额定工作电压，设计给定 U N =110 V 8.额定工作电流 = Text2(13) A 9.导线直径的确定（电密J=5—6 A/mm2）J= Text2(1) A/mm2 裸线= Text2(12) mm 绝缘后导线直径d’ = Text2(6) mm 10.衔铁的直径（气隙磁密Bδ=0.9-1T）取Bδ= Text2(2) T

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。 比例电磁铁的分类 比例电磁铁的类型按照工作原理主要分为如下几类: (1)力控制型 这类电磁铁的行程短, 输出力与输入电流成正比, 常用在比例阀的先导控制级上； (2)行程控制型 由力控制型加负载弹簧共同组成, 电磁铁输出的力先通过弹簧转换成输出位移, 输出位移与输入电流成正比, 工作行程达3mm, 线性好, 可以用在直控式比例 阀上； (3)位置调节型 衔铁的位置由传感器检测后, 发出一个阀内反馈信号, 在阀内进行比较后重新调节衔铁的位置。在阀内形成闭环控制, 精度高, 衔铁的位置与力无关。精度高的比例阀如德国的博世、意大利的阿托斯等都采用这种结构。

电液比例阀工作原理

电液比例阀是阀内比例电磁铁输入电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例压力、流量输出元件。阀芯位移也可以以机械、液压或电形式进行反馈。电液比例阀具有形式种类多样、容易组成使用电气及计算机控制各种电液系统、控制精度高、安装使用灵活以及抗污染能力强等多方面优点，应用领域日益拓宽。近年研发生产插装式比例阀和比例多路阀充分考虑到工程机械使用特点，具有先导控制、负载传感和压力补偿等功能。它出现对移动式液压机械整体技术水平提升具有重要意义。特别是电控先导操作、无线遥控和有线遥控操作等方面展现了其良好应用前景。 2 工程机械电液比例阀种类和形式 电液比例阀包括比例流量阀、比例压力阀、比例换向阀。工程机械液压操作特点，以结构形式划分电液比例阀主要有两类：一类是螺旋插装式比例阀（screwin cartridge proportional valve），另一类是滑阀式比例阀（spool proportional valve）。 螺旋插装式比例阀是螺纹将电磁比例插装件固定油路集成块上元件，螺旋插装阀具有应用灵活、节省管路和成本低廉等特点，近年来工程机械上应用越来越广泛。常用螺旋插装式比例阀有二通、三通、四通和多通等形式，二通式比例阀主比例节流阀，它常它元件一起构成复合阀，对流量、压力进行控制；三通式比例阀主比例减压阀，也是移动式机械液压系统中应用较多比例阀，它主对液动操作多路阀先导油路进行操作。利用三通式比例减压阀可以代替传统手动减压式先导阀，它比手动先导阀具有更多灵活性和更高控制精度。可以制成如图1所示比例伺服控制手动多路阀，不同输入信号，减压阀使输出活塞具有不同压力或流量进而实现对多路阀阀芯位移进行比例控制。四通或多通螺旋插装式比例阀可以对工作装置实现单独控制。 滑阀式比例阀又称分配阀，是移动式机械液压系统最基本元件之一，是能实现方向与流量调节复合阀。电液滑阀式比例多路阀是比较理想电液转换控制元件，它保留了手动多路阀基本功能，还增加了位置电反馈比例伺服操作和负载传感等先进控制手段。它是工程机械分配阀更新换代产品。 出于制造成本考虑和工程机械控制精度要求不高特点，一般比例多路阀内不配置位移感应传感器，具有电子检测和纠错功能。，阀芯位移量容易受负载变化引起压力波动影响，操作过程中要靠视觉观察来保证作业完成。电控、遥控操作时更应注意外界干涉影响。近来，电子技术发展，人们越来越多采用内装差动变压器（ＬＤＶＴ）等位移传感器构成阀芯位置移动检测，实现阀芯位移闭环控制。这种由电磁比例阀、位置反馈传感器、驱动放大器和其它电子电路组成高度集成比例阀，具有一定校正功能，可以有效克服一般比例阀缺点，使控制精度到较大提高。 3 电液比例多路阀负载传感与压力补偿技术 节约能量、降低油温和提高控制精度，同时也使同步动作几个执行元件运动时互不干扰，现较先进工程机械都采用了负载传感与压力补偿技术。负载传感与

电磁铁设计

一、引言 电磁铁是一种执行元件，它输入的是电能，输出的是机械能。电能和机械能的变换是通过具体的电磁铁结构来实现的。合理的电磁铁结构是能量变换效率提高的保证。电磁铁设计的任务是合理的确定电磁铁的各种结构参数。确定电磁铁的各种结构参数是一个相当复杂的任务，下面我们探讨确定电磁铁结构参数的一般方法。电磁铁吸合过程是一个动态过程,设计是以静态进行计算. 电磁铁有许多优点：电磁铁磁性的有无可以用通、断电流控制；磁性的大小可以用电流的强弱或线圈的匝数来控制；也可改变电阻控制电流大小来控制磁性大小；临朐昌盛磁电它的磁极可以由改变电流的方向来控制，等等。即：磁性的强弱可以改变、磁性的有无可以控制、磁极的方向可以改变,磁性可因电流的消失而消失。 电磁铁是电流磁效应（电生磁）的一个应用，与生活联系紧密，如电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车、电磁流量计等。电磁铁可以分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类型。如果按照用途来划分电磁铁，主要可分成以下五种：（1）牵引电磁铁──主要用来牵引机械装置、开启或关闭各种阀门，以执行自动控制任务。（2）起重电磁铁──用作起重装置来吊运钢锭、钢材、铁砂等铁磁性材料。（3）制动电磁铁──主要用于对电动机进行制动以达到准确停车的目的。（4）自动电器的电磁系统──如电磁继电器和接触器的电磁系统、自动开关的电磁脱扣器及操作电磁铁等。（5）其他用途的电磁铁──如磨床的电磁吸盘以及电磁振动器等。

二、基本公式和一般概念 1、均匀磁场B= S Φ （T ） 2、磁势F=NI,电流和匝数的乘积（A ） 3、磁场强度H=L NI （A/m ），建立了电流和磁场的关系。 该公式适用于粗细均匀的磁路 4、磁导率μ=H B 建立了磁场强度和磁感应强度（磁通密度）的关系。 μ0=4π×10-7享/米 相对磁导率μr = μμ 5、磁通Φ= M R NI 磁阻R M = s l μ 这称为磁路的欧姆定律，由于铁磁材料的磁导率μ不是常数，使用磁阻计算磁路并不方便，磁阻计算一般只用于定性。 6、磁感应强度的定义式B= qv F ，磁感应强度与力的关系。 7、真空中无限长螺线管B=μ0nI 。对于长螺线管，端面处的 B=2 1 μ0nI 。 8、磁效率 图1-1 电磁铁工作循环图