比例电磁铁综述完整版.doc
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1、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
2、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;另一条磁路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,而后与汇合形成附加轴向力,二者综合得到比例电磁铁输
3、出力相对于衔铁位移的水平特性。图3 比例电磁铁的磁路分布产生的端面力为:产生的轴向附加力为: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
4、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电磁力的大小为,与线圈匝数平方成正比,与气隙间隙平方成反比。
5、在电磁阀其它结构参数和驱动电流以及气隙宽度大小相同时,线圈匝数越多,气隙的磁场强度就越强,则气隙磁感应强度也越大,电磁吸力也就越大。但实际上线圈匝数不是越多越好,随着匝数的增加,会使线圈电感和线圈电阻增大,从而在衔铁吸合初始阶段限制了驱动电流的迅速增大,在释放过程中使电流衰减速度变慢。电磁阀气隙宽度包括衔铁工作行程和残余间隙宽度两个部分。当衔铁完全开启时,此时气隙宽度等于衔铁工作行程和残余间隙宽度之和。当衔铁完全吸合时,气隙宽度等于残余间隙宽度。随着气隙宽度的增大,将使电磁吸力减小。衔铁工作过程中,气隙宽度减小,有利于电磁阀的打开。在残余间隙不变的前提下,如果衔铁工作行程增加,则在关闭过程和重
6、新打开过程的时间增加,电磁力增加速度平缓,电磁阀的动态特性变差。同时,驱动电路的形式及参数直接决定线圈电流波形,并极大地影响电磁阀的响应速度。驱动电压为24V时,电磁阀响应时间为0.4ms,当驱动电压为48V时,电磁阀响应时间为0.25ms,驱动电压的升高对电磁阀的响应速度有着明显的影响。不过,驱动电压从48V到100V之间,响应时间的提高率为o.02ms/2OV,驱动电压从100V提高到120V,响应时间缩减的幅度更小了,仅为0.01ms。图7 不同电磁铁工作特性曲线3. 比例电磁铁试验台测控系统系统主要由工业机、数据采集单元、输出制单元、传感器和比例阀测试试验台等组成。工控机是整个测试系统
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