杜金鳳

摘 要：比例電磁鐵是比例閥的核心部件，它的水平位移——力特性是比例電磁鐵所要求的重要性能，用電磁仿真軟件對多種比例電磁鐵結(jié)構(gòu)方案進行了電磁學(xué)仿真，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出影響位移——力特性及電磁力大小的幾個重要參數(shù)，并對這些參數(shù)對比例電磁鐵性能的影響進行分析。

關(guān)鍵詞：比例電磁鐵，結(jié)構(gòu)參數(shù)，電磁學(xué)仿真

1.概述

比例電磁鐵作為電液比例控制元件的電——機械轉(zhuǎn)換器件，其功能是將比例控制放大器輸給的電流信號轉(zhuǎn)換成力或位移。比例電磁鐵推力大、結(jié)構(gòu)簡單，對油質(zhì)要求不高，維護方便，成本低廉，銜鐵腔可做成耐高壓結(jié)構(gòu)，是電液比例控制技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的電——機械轉(zhuǎn)換器。比例電磁鐵的特性及工作可靠性，對電液比例控制系統(tǒng)和元件具有十分重要的影響，是電液比例控制技術(shù)關(guān)鍵部件之一。

利用已經(jīng)建立的比例電磁鐵仿真模型，通過計算機仿真，比較得出比例電磁鐵的關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中包括銜鐵長度、銜鐵與導(dǎo)套間的徑向間隙、隔磁環(huán)工作角度、隔磁環(huán)工作長度、隔磁環(huán)位置、隔磁環(huán)前段幾何形狀（以下簡稱隔磁曲線）、導(dǎo)套厚度、工作氣隙的形狀以及工作氣隙寬度等。利用驗證的數(shù)學(xué)模型，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算機仿真分析。下面簡述仿真結(jié)果與分析。

2.比例電磁鐵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1 銜鐵長度對比例電磁鐵的影響

如圖1所示，軸向推力隨著銜鐵長度的增加而增大，B點處的推力約為A點處推力的3倍；但是曲線的上升速率呈下降趨勢，尤其在B點之后，曲線基本呈水平狀。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于銜鐵長度變化引起磁路的閉合路徑發(fā)生變化進而導(dǎo)致磁阻變化。在銜鐵長度較短的情況下，磁路需經(jīng)過銜鐵后端氣隙、銜鐵、極靴以及殼體方能閉合，而銜鐵長度較長時，磁路通過銜鐵、極靴、殼體即形成閉合?？梢娨蜚曡F長度變短而引入的后端非工作氣隙導(dǎo)致整個磁路磁阻變大，引起磁力大幅度減小。

銜鐵作為電磁鐵中的唯一可動部件，其設(shè)計非常關(guān)鍵。銜鐵的形狀（徑長，軸長）屬于敏感參數(shù)，一旦設(shè)置銜鐵尺寸過小，電磁力減小，必須通過增加激磁線圈安匝數(shù)來彌補，而安匝數(shù)的增加會增大渦流損耗，不利于電磁鐵的動特性。銜鐵長度過長，不但無法有效增大推力，反而會因為質(zhì)量的增大延長電磁鐵的動作時間。實際選取時，可以選擇曲線即將進入飽和段的起始點，使電磁力和質(zhì)量這對矛盾變量獲得一個相對的平衡。

2.2 銜鐵與導(dǎo)套間存在徑向間隙對比例電磁鐵的影響

取徑向間隙與銜鐵直徑的比值k進行研究。徑向間隙變化，比例電磁鐵的推力幅值變化不大，但是水平段曲線會略有擺動，如圖2所示。分析其原因：徑向間隙變化，間隙磁阻會隨之變化，導(dǎo)套內(nèi)會有部分漏磁通過，磁場分布產(chǎn)生一定變化，致使主氣隙磁通略有變化。k值過大水平力區(qū)段尾部上翹，k值過小水平力區(qū)段尾部下翹。選擇合適的k值，可以得到較好水平力特性。

2.3 隔磁環(huán)工作角度對比例電磁鐵的影響

隔磁環(huán)工作角度是隔磁環(huán)關(guān)鍵性的參數(shù)之一，隔磁角度決定了比例電磁鐵獨特的盆形極靴結(jié)構(gòu)的形狀。如圖3所示，從圖中曲線變化情況可知，隔磁環(huán)工作角度決定了比例電磁鐵位移一力曲線的水平特性。隔磁環(huán)工作角度α越大，曲線后段越上翹，曲線起伏波動越明顯。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因在于，隔磁環(huán)工作角度增大，經(jīng)過隔磁環(huán)處的磁通分量

得到增大，而此時主氣隙磁通相應(yīng)被削弱，二者產(chǎn)生的電磁力疊加后表現(xiàn)為位移——力特性曲線的起伏波動，水平特性變差。但是當(dāng)銜鐵在大行程位置吸力下降時，可以適當(dāng)增大隔磁角度α來改善位移一力曲線水平特性。

2.4 隔磁環(huán)長度對比例電磁鐵的影響

改變隔磁環(huán)長度，可以調(diào)整比例電磁鐵位移一力特性曲線的水平段寬度。增加隔磁環(huán)的長度可以增加位移一力曲線水平段的長度，從而增加電磁鐵的有效工作長度。一般在實際初步設(shè)計中，選取隔磁環(huán)長度C等于或大于工作氣隙的長度，可以獲得較好的水平位移一力控制特性。

2.5 隔磁環(huán)位置對比例電磁鐵的影響

比例電磁鐵在工作行程內(nèi)的水平位移——力特性曲線是由端面力和附加軸向力兩個分力合成的。端面力是由磁感線穿越工作氣隙進入極靴而產(chǎn)生；附加軸向力則由磁感線從銜鐵直接進入導(dǎo)套而產(chǎn)生。改變銜鐵導(dǎo)套形成的磁路上的磁阻可對磁感線分布產(chǎn)生影響，從而改變附加軸向力的大小，控制位移——力特性曲線的形狀。而磁阻的大小與磁路截面積成反比，因此調(diào)整隔磁環(huán)的位置實現(xiàn)可以控制局部磁阻的大小，達到間接控制附加軸向力的目的。如圖4所示，左圖隔磁環(huán)位于工作氣隙下方，右圖，隔磁環(huán)緊鄰工作氣隙。右圖可以得到較好的水平位移——力曲線。

盆口的幾何形狀是比例電磁鐵設(shè)計的關(guān)鍵。一般，隔磁環(huán)前段都采用直線的方式，構(gòu)成一個標(biāo)準(zhǔn)的幾何錐形盆口。對比直線形狀，采用內(nèi)凹型和外凸型兩種曲線構(gòu)成盆口，如圖5所示。從圖6可以看出：采用內(nèi)凹曲線，銜鐵的位移力特性最佳；曲線外凸，水平特性段尾部上翹，電磁鐵的水平力特性變差；直線則介于二者之間。內(nèi)凹曲線提供的導(dǎo)磁面積比較狹窄，磁通絕大多數(shù)集中在曲線的前端，即導(dǎo)套的底部，此時磁通分量較小，軸向附加力也相應(yīng)較??；曲線外凸時，隔磁環(huán)處的導(dǎo)磁面積加大，磁通更多向?qū)浊岸思?，徑向磁通分量得到明顯加強，使得主氣隙磁通受到較大的削弱，銜鐵的軸向推力相應(yīng)出現(xiàn)下跌。因此，內(nèi)凹型隔磁曲線相較于直線型和外凹型隔磁曲線而言，能夠更好的補償主工作氣隙軸向力的幅值變化，因而也就能夠獲得更好的行程——力特性。

2.7 導(dǎo)套厚度對比例電磁鐵的影響

導(dǎo)套厚度的變化引起銜鐵軸向推力和銜鐵有效工作行程發(fā)生變化。從圖6可以看出：軸向推力的大小隨著導(dǎo)套厚度的增加而增大，但導(dǎo)套厚度超過一定值時，軸向推力的增加值變小，趨于穩(wěn)定；軸向推力增加的同時銜鐵有效行程變短。因此，要增大比例電磁鐵的工作行程，可以適當(dāng)減小導(dǎo)套厚度，但要注意其推力的減小。

產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是，導(dǎo)套厚度減小的同時，導(dǎo)套與銜鐵間的徑向間隙會加大，導(dǎo)致間隙磁阻會發(fā)生變化。導(dǎo)套內(nèi)將會產(chǎn)生部分漏磁，主氣隙磁通隨之改變，因此也會對水平段曲線產(chǎn)生影響，反映為曲線的擺動。

2.8 工作氣隙形狀對比例電磁鐵的影響

由電磁學(xué)知識可知，氣隙截面積是影響氣隙磁導(dǎo)的重要因素，氣隙形狀的改變會影響磁感線在氣隙處的分布狀況進而影響位移——力特性曲線的形狀。可以考慮設(shè)計不同的工作氣隙形（即極靴銜鐵端面形狀）來驗證哪種結(jié)構(gòu)更符合比例電磁鐵的要求。在比例電磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計中，帶錐形周邊的盆形極靴（相應(yīng)銜鐵端部為錐形）能獲得較理想的特性曲線。

3. 結(jié)論

對單向比例電磁鐵的特性總結(jié)如下：銜鐵存在最優(yōu)長度，徑長比約為1/2時，可在保證輸出足夠推力的同時質(zhì)量最輕；銜鐵與導(dǎo)套間的徑向間隙對輸出特性略有影響，徑向間隙過小，水平段曲線會略有上翹，相反，徑向間隙比過大，水平段會曲線出現(xiàn)下跌；隔磁環(huán)工作角度與隔磁曲線直接關(guān)系到盆口極靴的形狀及尺寸，分析表明較小隔磁角以及內(nèi)凹型隔磁曲線能夠獲得更好的行程力特性；導(dǎo)套厚度同時影響到銜鐵軸向推力和工作行程，因此應(yīng)根據(jù)力和行程的實際設(shè)計要求，選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)套厚度；采用盆形極靴能獲得較理想的特性曲線。

上述所列影響比例電磁鐵性能的因素共同存在，互相制約。在設(shè)計比例電磁鐵時，既要依靠電磁學(xué)理論的指導(dǎo)及借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀產(chǎn)品的經(jīng)驗外，還要善于利用優(yōu)秀的仿真工具進行更加深入詳盡的分

析。

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