某型电磁阀高温启动电压特性研究

王晶晶，朱晓萍

(贵航高级技工学校，贵州 贵阳 550009)

电磁阀作为控制系统中的关键执行元件之一，其性能品质的优劣直接影响着整个系统的控制品质。随着科技水平的提高，系统对电磁阀的要求也越来越高，如为提高产品可靠性，采用双线圈结构，同时保证电磁阀在全温度范围内均能可靠工作。由于电磁阀负载反力随温度的升高而改变，同时电磁阀的电磁特性本身受温度的影响也较大，因此研究高温下电磁阀的启动电压特性对于提高产品的可靠性是很有必要的。本文以某型电磁阀为例，讨论其高温启动电压特性的设计方法。

1 电磁阀工作原理简介

某双线圈电磁阀为两位两通常闭式电磁阀，A口为进油口，B口为出油口。其线圈组件结构如图1所示。线圈组件在外部激励电压的作用下产生磁场，衔铁在电磁力作用下克服阻力向左运动，此时进口A与出口B相通；当线圈组件无外部电压激励时，在衔铁弹簧作用下，衔铁处于右端位置将进口A与出口B阻断。电磁阀线圈组件中的两套线圈绕组，只要有一套能正常工作，该电磁阀就能实现上述功能。

图1 线圈组件结构图

2 启动电压问题的提出

该型电磁阀的额定工作电压为27V DC，最低工作电压为16V DC，最高工作燃油温度为120 ℃，最高工作环境温度为180 ℃。在对该型电磁阀进行高温特性检测过程中，发现当燃油温度高于80 ℃时出现通断转换功能失效问题。随后对该型电磁阀进行高温启动电压试验，试验结果如表1所示。

表1 高温启动电压试验

由表1可知，常温下该电磁阀的启动电压均不大于16V DC，满足使用要求，而当试验温度高于80 ℃时，该电磁阀的启动电压均高于16V DC，不满足使用要求，且温度越高其启动电压越大。因此为保证电磁阀在常温及高温下均工作可靠，需对电磁阀进行改进设计。

3 机理分析

3.1 温度影响分析

电磁阀的动态特性方程[1]为：

(1)

式中：U-线圈激励电压；i-线圈电流；R-线圈电阻，是θ的函数；ψ-电磁阀全磁链；δ-电磁阀工作气隙；B-磁感应强度；μ0-真空磁导率，其值为4π×10-7Wb/A·m；S-有效磁路面积；θ-线圈工作温度，单位为摄氏度(℃)；θ0-电磁阀工作环境温度；D0T-电磁阀线圈外径；Hx-电磁阀线圈高度。

全电流定律：

(2)

式中：H-磁场强度，单位为安培每米(A/m)；l-闭合曲线。又：

B=μH

(3)

式中：μ-材料磁导率。

由式(1)、式(2)和式(3)得出，为保证电磁阀高温下的工作可靠性，需重点分析温度对电磁力的影响和温度对负载反力的影响。

3.2 电磁力受温度影响分析

线圈电阻随温度的变化规律为：

(4)

式中：Rθ-温度θ下的线圈电阻，单位为欧姆(Ω)；R20-20 ℃下的线圈电阻，单位为欧姆(Ω)。

由式(2)得：

(5)

式中：Iθ-温度θ下的线圈电流，单位为安培(A)；Uθ-温度θ下的激励电压，单位为伏特(V)。

则由式(1)、式(2)、式(3)和式(5)可分析得出，电磁阀的电磁力随线圈工作温度的升高而减小。

线圈工作温度是电磁阀工作环境温度、工作介质温度、线圈发热功率和线圈散热能力共同作用的结果。线圈发热功率计算公式为：

(6)

式中：Pθ-温度θ下的线圈发热功率，单位为瓦特(W)。

线圈温升公式[3]为：

(7)

式中：τxq-线圈温升，单位为摄氏度(℃)；ρx-导线的电阻率，单位为欧姆·米(Ω·mm)；Kτ-线圈散热系数，单位为瓦特每平方米·摄氏度(W/m2·℃)；fτ-线圈填充系数；bxq-线圈厚度，单位为米(m)；hxq-线圈高度，单位为米(m)。

由式(6)和式(7)得出，线圈工作温度不仅与线圈工作电压、线圈电阻有关，还与线圈结构、电磁阀与周围环境的热交换情况等有关，同时线圈工作温度又反过来影响线圈电阻。

3.3 负载反力受温度影响分析

Ff常温=(1.3～1.5)(ksΔx0+Aidpi+Aedpe)

(8)

式中：ks-弹簧刚度；Δx0-电磁阀断电时弹簧的压缩量；Ai-流体的入口受压面积；Ae-流体的出口受压面积；pi-流体的入口压力；pe-流体的出口压力。

高温下的负载反力一般按：

Ff高温=(1.8～2.0)(ksΔx0+Aidpi+Aedpe)

(9)

为保证电磁阀在系统上的工作可靠性，在产品设计时应将电磁阀最高工作温度时的工况作为设计点。

4 高温特性设计

通过对电磁阀原理的分析，得到当电磁阀满足式(10)时其才能可靠工作。

Fx>Ff高温

即：Fx>(1.8～2.0)(F衔铁弹簧-F液压-F挡板弹簧)

(10)

通过计算得出该电磁阀在衔铁的整个工作气隙范围内，高温时的负载反力为9.96 N。

4.1 电磁力优化计算

由式(1)、式(2)和式(3)可得出：

Fx∝μNiS

(11)

由式(11)得出，电磁力与导磁材料的磁导率、激励安匝数和有效磁路面积正相关[2]。同时对于特定的某一电磁阀其外形要求总是确定的，因此为保证电磁阀的工作可靠性及外形要求，可通过对电磁阀的导磁材料、线圈匝数、线圈电阻和磁路结构进行优化分析，综合产品可靠性、工艺性及经济性，设计出最佳结构。

针对本论文所述双余度电磁阀，要求不改变产品的外形、线圈参数和磁路结构，从产品改进的最优性考虑，将导磁材料的磁导率作为改进方向，从而提高该电磁阀高温下的启动电压特性。

上述某双余度电磁阀改进前所用软磁材料为未经热处理的高导磁率合金材料1J50，为提高电磁力，找出导磁率更高的材料，分别对未进行热处理的1J50、热处理后的1J50和热处理后的1J22进行磁性能检测，得出其在相同磁场强度下的磁感应强度，并绘出B-H曲线，如图2所示。

图2 B-H曲线

由图2可看出，1J50热处理后和1J22热处理后B-H曲线的斜率均大于未热处理1J50的B-H曲线斜率。由此得出相同磁感应强度下1J50热处理后和1J22热处理后的磁导率高于1J50热处理前的磁导率。根据产品磁路结构，提出导磁材料优选方案，如表2所示。

表2 导磁材料优选方案

为优选出电磁阀在整个工作气隙范围内的电磁力大于高温负载反力9.96 N的方案。应用Maxwell电磁仿真分析软件对上述4个方案进行电磁力仿真分析，仿真结果如图3所示。考虑产品的工作行程范围要求，可得方案3和方案4满足要求。又因热处理后的1J22加工工艺性较差，最后确定方案4为实施方案。

图3 方案仿真分析结果

4.2 高温启动电压仿真验证

为验证按实施方案改进后产品都能满足改进目标，应用Maxwell电磁仿真分析软件对实施方案在180 ℃下的启动电压进行仿真分析，仿真结果如图4所示。

图4 方案4仿真结果

由图4可知，改进后产品在高温下的启动电压为7.5V DC，满足高温启动电压改进目标不大于14V DC的要求。

5 试验验证

为验证改进效果，对改进后2台产品进行常温启动电压和高温启动电压试验，并与改进前产品的启动电压数据进行对比，如表3所示。

表3 改进前后常温启动电压和高温启动电压试验

由表3可得出，改进后产品的启动电压均比改进前低，且改进后产品满足不大于16V DC的启动电压要求，改进方案有效。

6 结论

综合以上理论分析和试验结果证明，电磁阀高温下的工况严苛于常温条件，因此为保证产品工作可靠性，需重点对电磁阀高温下的边界条件进行识别，并将高温工况作为设计点，同时对于双余线圈电磁阀在线圈设计时应充分考虑两线圈工作温度的差异，应通过分配线圈匝数或线圈电阻进行补偿，保证两线圈工作特性的一致性。该电磁阀高温电磁特性的设计方法对于电磁阀类产品，特别是双线圈电磁阀产品的设计具有普遍的借鉴意义。