溫度對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)影響的計(jì)算分析

引言

電磁閥是一種靠電磁線圈電磁力控制管路系統(tǒng)流體通斷的閥門。隨著汽車工業(yè)、空調(diào)、化工設(shè)備、航天航空等行業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的加快,電磁閥以其快速、精準(zhǔn)、高效的控制特點(diǎn),在這些行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。電磁線圈是電磁閥的核心動(dòng)力來(lái)源,電磁線圈也可適配不同的電路來(lái)工作,是自動(dòng)化流體控制的基礎(chǔ)元件。近年來(lái),電磁閥的設(shè)計(jì)和應(yīng)用趨于成熟,但在實(shí)際應(yīng)用中存在高溫狀態(tài)下電磁閥開閥能力衰減甚至不滿足開閥壓力差設(shè)計(jì)要求的缺陷。

本文重點(diǎn)分析溫度對(duì)電磁線圈磁動(dòng)勢(shì)、電磁閥的電磁力和開閥能力的影響,意在得出溫度和電磁閥關(guān)鍵特性的直接關(guān)聯(lián)公式,為后續(xù)電磁閥在不同溫度環(huán)境條件下的應(yīng)用提供參考。

1電磁閥結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

電磁閥由電磁線圈和閥總成部件配合形成驅(qū)動(dòng)通斷功能,如圖1所示。電磁線圈一般由線圈骨架、漆包線繞組、絕緣包封層等部分組成,絕緣漆包線繞制于線圈骨架上。閥部件包括動(dòng)鐵芯、靜鐵芯和復(fù)位彈簧。動(dòng)、靜鐵芯均為軟磁材料,當(dāng)線圈不通電無(wú)磁場(chǎng)時(shí),動(dòng)、靜鐵芯不帶磁性或磁性很弱;當(dāng)線圈通電形成磁場(chǎng)時(shí),軟磁材料被勵(lì)磁產(chǎn)生磁性,克服彈簧力和靜鐵芯上的壓力差相互吸合。

以常閉直動(dòng)式電磁閥為例,當(dāng)線圈未通電時(shí),動(dòng)鐵芯、靜鐵芯在復(fù)位彈簧的作用下,兩者分開,閥口閉合,實(shí)現(xiàn)關(guān)閥功能;當(dāng)線圈通電時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng),使動(dòng)、靜鐵芯被勵(lì)磁相互吸合,閥口打開,實(shí)現(xiàn)開閥功能。

磁動(dòng)勢(shì)是衡量電磁線圈性能的主要指標(biāo),磁動(dòng)勢(shì)主要取決于漆包線繞制的匝數(shù)、線圈骨架的內(nèi)外徑,同時(shí)受線圈溫度、驅(qū)動(dòng)電壓的影響;電磁力和開閥壓力差是衡量電磁閥性能的主要指標(biāo),電磁力除了受線圈因素影響外,還與閥總成內(nèi)部的氣隙長(zhǎng)度、氣隙面積相關(guān);基于電磁力計(jì)算的開閥壓力差還與閥總成內(nèi)部閥口尺寸、復(fù)位彈簧力相關(guān)。

2線圈磁動(dòng)勢(shì)和電磁閥電磁力計(jì)算

2.1磁動(dòng)勢(shì)計(jì)算

磁動(dòng)勢(shì)是線圈電流I和線圈匝數(shù)N的乘積(IN),又名"安匝數(shù)"。首先分別計(jì)算出線圈電流I和線圈匝數(shù)N。

線圈匝數(shù)N取決于線圈骨架的3個(gè)參數(shù)H、D1、D2和繞制于骨架上的漆包線線徑d,線圈匝數(shù)的計(jì)算公式如下:

式中:H為線圈骨架上漆包線總繞線寬度(mm):D1為線圈骨架上漆包線繞線軸徑(mm):D2為線圈骨架上漆包線繞線外徑(mm):d為漆包線線徑(mm)。

總繞線長(zhǎng)度L為:

線圈電阻R為:

式中:p為銅的電阻率(mm2/m):s為漆包線的截面積(mm2)。

線圈繞制完成后,其電阻值R也隨之確定,當(dāng)電磁線圈的驅(qū)動(dòng)電壓明確時(shí),電磁驅(qū)動(dòng)電流可由公式I=U/R計(jì)算如下:

磁動(dòng)勢(shì)IN為:

從上述公式分析得出,在其他參數(shù)固定的條件下,磁動(dòng)勢(shì)與電壓成正比關(guān)系,與電阻率成反比關(guān)系。

2.2磁感應(yīng)強(qiáng)度和電磁力計(jì)算

電磁閥磁動(dòng)勢(shì)降絕大部分在氣隙處,除氣隙外電磁閥其余部分的材料導(dǎo)磁性能均良好,氣隙長(zhǎng)度是指動(dòng)鐵芯從復(fù)位位置到吸合位置的運(yùn)行長(zhǎng)度,即行程[5],行程越長(zhǎng)則磁場(chǎng)強(qiáng)度和電磁力相應(yīng)下降越多,公式可以轉(zhuǎn)化為:

式中:H0為氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m):6為氣隙長(zhǎng)度(mm):B0為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度(T):μ0為磁導(dǎo)率,取4m×10-7H/m。

磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算:

電磁力簡(jiǎn)化算法:

式中:s0為氣隙面積(mm2)。

從上述公式分析得出,在其他參數(shù)固定的條件下,電磁力與電壓的平方成正比關(guān)系,與電阻率的平方成反比關(guān)系。

2.3磁動(dòng)勢(shì)、電磁力與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算

當(dāng)線圈通電時(shí),線圈會(huì)發(fā)熱,漆包線電阻率會(huì)隨著溫度變化而發(fā)生變化,計(jì)算公式為:

式中:7為線圈溫度(℃)

將公式(9)代入磁動(dòng)勢(shì)計(jì)算公式(5),得出磁動(dòng)勢(shì)與溫度的計(jì)算公式:

式中:U為工作電壓(v):d為漆包線線徑(mm):7為線圈溫度(℃):D1為線圈骨架上漆包線繞線軸徑(mm):D2為線圈骨架上漆包線繞線外徑(mm)。

將公式(9)代入電磁力計(jì)算公式(8),得出電磁力與溫度的計(jì)算公式:

式中:U為工作電壓(v):d為漆包線線徑(mm):μ0為氣隙磁導(dǎo)率,取4m×10-7H/m:s0為氣隙面積(mm2):7為線圈溫度(℃):D1為線圈骨架上漆包線繞線軸徑(mm):D2為線圈骨架上漆包線繞線外徑(mm):6為氣隙長(zhǎng)度(mm)。

2.4開閥壓力差計(jì)算

電磁閥設(shè)計(jì)需要在不同溫度下均能滿足克服壓力差,達(dá)到正常開閥的要求,因此電磁閥的開閥壓力差等同于開閥能力。開閥需要克服復(fù)位彈簧力Fs和作用在動(dòng)鐵芯上的壓差力Fp,壓差力Fp為動(dòng)鐵芯閥口尺寸do大小和閥口上下壓力差p的乘積,電磁力和開閥壓力差公式轉(zhuǎn)換如下:

式中:Fs為復(fù)位彈簧力(N):Fp為壓差力(N):do為閥口直徑(mm):p為開閥壓力差(MPa)。

3計(jì)算示例

計(jì)算示例電磁閥參數(shù)如表1所示,分別計(jì)算溫度在0~120℃區(qū)間范圍變化時(shí),磁動(dòng)勢(shì)、電磁力和開閥壓力差的具體數(shù)據(jù),并以常溫2o℃和高溫12o℃兩個(gè)典型溫度點(diǎn)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

當(dāng)溫度在o~12o℃區(qū)間變化時(shí),磁動(dòng)勢(shì)變化如圖2所示,在常溫2o℃時(shí)磁動(dòng)勢(shì)約為691At,當(dāng)溫度升高至120℃時(shí),磁動(dòng)勢(shì)降低至496At,計(jì)算衰減幅度為28%。

當(dāng)溫度在0~120C區(qū)間變化時(shí),電磁力變化如圖3所示,在常溫20℃時(shí)電磁力約為8.5N,當(dāng)溫度升高至120℃時(shí),電磁力降低至4.4N,計(jì)算衰減幅度為48%。

當(dāng)溫度在o~120℃區(qū)間變化時(shí),開閥壓力差變化如圖4所示,20℃時(shí)閥的開閥壓力差p為3.7MPa,當(dāng)溫度升高至120℃時(shí),開閥壓力差降低至1.4MPa,計(jì)算衰減幅度為62%。

根據(jù)上述計(jì)算,磁動(dòng)勢(shì)、電磁力和開閥壓力差在溫度升高時(shí)均有大幅下降,當(dāng)溫度升高至12o℃時(shí)開閥壓力差已經(jīng)低于設(shè)計(jì)要求,有兩種解決方案:

方案1:降低適配的閥口尺寸。當(dāng)閥口尺寸do=1.5mm時(shí),閥在12o℃條件下的開閥壓力差為1.4MPa:當(dāng)閥口尺寸do降低至1mm時(shí),閥在120℃條件下開閥壓力差達(dá)3.1MPa,在全溫度范圍內(nèi)均能滿足大于2MPa的開閥壓力差要求,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

方案2:提升線圈驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)工作電壓U=12V時(shí),閥在120℃條件下的開閥壓力差為1.4MPa:當(dāng)工作電壓U增加至14V時(shí),閥在120℃條件下的開閥壓力差為2.1MPa,在全溫度范圍內(nèi)均能滿足大于2MPa的開閥壓力差要求,如圖6所示。

當(dāng)采用增加電壓的方案進(jìn)行開閥壓力差提升時(shí),最好適配溫度傳感監(jiān)控,在溫度達(dá)到一定范圍時(shí)增加電壓,避免全行程增加電壓,從而增加能耗。

4結(jié)語(yǔ)

本文基于磁動(dòng)勢(shì)、電磁力、繞組電阻率計(jì)算公式,分析了溫度對(duì)線圈的磁動(dòng)勢(shì)以及電磁閥的電磁力和開閥壓力差的影響,以典型的常溫20C和高溫120C為示例進(jìn)行計(jì)算,磁動(dòng)勢(shì)衰減28%,電磁力衰減48%,開閥壓力差衰減62%。盡管常溫條件下開閥壓力差適配甚至有冗余,但為確保產(chǎn)品可靠性,需要在全溫度運(yùn)行范圍內(nèi)開閥壓力差均能達(dá)到大于2MPa的標(biāo)準(zhǔn),因溫升導(dǎo)致的開閥能力衰減,可以通過適配合適的閥口尺寸或增加電壓的方案,確保全溫度范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)能力達(dá)標(biāo)。