電磁閥的原理及其在工程設計中的應用探討

王敏

（遼中縣遼河化工廠，遼寧遼中110200）

1 引言

電磁閥在工業生產中應用十分廣泛，在石油化學工業中尤為普遍。它既可用于水、空氣和中性氣體以及其它與電磁閥材質相適宜的氣體、液體的開關控制（二通），又可作為安全聯鎖保護系統中不可缺少的一部分（三通、四通、五通）。

電磁閥由電磁部件、閥體組成。電磁部件由固定鐵芯、動鐵芯、線圈等部件組成；閥體部分由滑閥芯、滑閥套、彈簧底座等組成。當線圈通電或斷電時，磁芯的運轉將導致流體通過閥體或被切斷，以達到開關或改變流體方向的目的。在安全聯鎖保護系統中應用的電磁閥主要有二位三通、二位四通和二位五通，二位的含義為：對于電磁閥來說是帶電或失電，對于所控制的閥來說就是打開或關閉。

二位三通電磁閥由閥體、閥罩、電磁組件、彈簧及密封結構等部件組成，動鐵芯底部的密封塊借助彈簧的壓力將閥體進氣口關閉。得電時，線圈勵磁，電磁鐵吸合，動鐵芯上部帶彈簧的密封塊把排氣口關閉，氣流從進氣口進入閥門，起到控制作用；失電時，電磁力消失，動鐵芯在彈簧力作用下離開固定鐵芯向下移動，將排氣口打開，堵住進氣口，閥門因失氣而改變開關狀態。

二位四通和五通電磁閥的原理相同，只是四通有1個排氣口，五通有2個排氣口。它們的工作原理：當有電流通過線圈時，產生勵磁作用，固定鐵芯吸合動鐵芯，動鐵芯帶動滑閥芯并壓縮彈簧，改變了滑閥芯的位置，從而改變了流體的方向；當線圈失電時，依靠彈簧的彈力推動滑閥芯，頂回動鐵芯，使流體按原來的方向流動。

下面結合藍星100kt/a有機硅單體工程的聯鎖控制系統，介紹電磁閥在該項目中的設計應用。

2 電磁閥的功耗及允許傳輸距離

在實際的設計應用中，電磁閥有兩種供電形式：220VAC或24VDC。如果選用220VAC供電形式，因為供電電壓高，傳輸電纜造成的電壓降不會影響到電磁閥能否正常工作，不必考慮電纜電阻損失的電壓，所以可以遠距離傳輸。如果電磁閥的供電電壓為24VDC，就必須根據電磁閥的最低工作電壓來進行電纜的最大允許長度計算。

如果24VDC供電電磁閥的最小工作電壓為20V，那么線路上的最大允許壓降為4V。假設所選電磁閥的額定功率為12W，采用二芯2.5mm2的聚氯乙烯絕緣護套控制電纜，從電纜樣本可以查到電纜的最大直流電阻為7.41Ω/km，由此可以計算出電纜的最大允許長度如下：

（1）電磁閥的工作電流

式中：I為電磁閥工作電流，A；

P為電磁閥額定功率，W；

V為電磁閥工作電壓，V。

（2）允許電纜長度的計算

式中：R為電纜電阻，Ω；

Ll為電纜單芯距離，km；

L2為電纜雙芯距離，m。

綜上所述，對于大功率且供電電壓為24VDC的電磁閥，為了保證電磁閥在不低于正常工作電壓（假設為20VDC）的條件下動作，可以通過選用較粗線徑電纜（2.5mm2）來降低線路上的壓降，這樣信號允許的傳輸距離可以到達約500m。

3 電磁閥的聯鎖控制

為了避免因電源故障而導致電磁閥在聯鎖發生時動作失敗，通常電磁閥都為常閉型（NC），即正常時帶電，聯鎖動作時失電：另外還有一種為通用型（可以連成常閉或常開的任意一種）。

在實際應用中，應根據工藝過程的安全保護需要，確定哪種形式能夠滿足最安全的條件選用NC（常閉）或通用。下面以該項目工程設計中電磁閥的應用實例進行說明。

3.1 電磁閥在氣動切斷閥參與聯鎖時的應用

圖1應用在單作用氣開式切斷閥聯鎖時關閉及單作用氣關式切斷閥聯鎖時打開的場合。聯鎖過程：正常狀態下，電磁閥得電，進氣口1打開，排氣口2關閉，氣路1、3接通，切斷閥正常供氣，氣開式切斷閥打開，氣關式切斷閥則為關閉；聯鎖狀態下，電磁閥失電，進氣口1關閉，排氣口2打開，氣路2，3接通，切斷閥供氣中斷，執行機構的彈簧復位，氣開式切斷閥關閉，氣關式切斷閥則為打開。

圖1二位三通常閉型電磁閥的應用

圖2應用在單作用氣開式切斷閥聯鎖時打開及單作用氣關式切斷閥聯鎖時關閉的場合。聯鎖過程：正常狀態下，電磁閥得電，進氣口1關閉，排氣口2打開，氣路2、3接通，切斷閥不被供氣，氣開式切斷閥關閉，氣關式切斷閥則為打開；聯鎖狀態下，電磁閥失電，電磁閥進氣口1打開，排氣口2關閉，氣路1、3接通，切斷閥供氣，氣開式切斷閥打開，氣關式切斷閥則為關閉。

圖2 二位三通通用型電磁閥的應用

由于通用型可以連成常開或常閉的任意一種，而且價格差別不大，所以為了方便起見，可以將上述兩種應用中的電磁閥均選為通用型。

如圖3所示為二位五通單線圈電磁閥應用在切斷閥執行機構為雙作用氣缸式的場合。

圖3 二位五能單線電磁閥的應用

如果聯鎖發生時需要關閉切斷閥，則在正常操作時儀表空氣走向為1-4，切斷閥B氣缸進氣，A氣缸排氣，然后再經電磁閥2m3端口放空；當聯鎖發生時，儀表空氣走向為1-2，切斷閥A氣缸進氣，B氣缸排氣，然后再經電磁閥4-5端口放空，切斷閥達到關閉的目的。

如果聯鎖發生時需要打開切斷閥，則在正常操作時儀表空氣走向為1-2，切斷閥A氣缸進氣，B氣缸排氣，然后再經電磁閥4-5端口放空；聯鎖發生時，儀表空氣走向為1-4，切斷閥B氣缸進氣，A氣缸排氣，然后再經電磁閥2-3端口放空，切斷閥達到打開的目的。

如圖4所示為二位五通雙線圈電磁閥應用在切斷閥執行機構為雙作用氣缸式的場合。

通常可以根據聯鎖要求通過切斷閥執行機構A、B氣缸的進氣、排氣達到閥門的通斷，但是在一些工藝要求電源故障保持閥位EFL（Electrical Failure Last）的場合，可以選用雙線圈電磁閥來實現在電源故障情況下閥位的保持。此類電磁閥磁芯的運轉所導致閥門的通斷分別由兩個線圈來完成，故稱為雙線圈。

圖4 二位五通雙線圈電磁閥的應用

如圖4所示，當電磁閥線圈S1接收聯鎖信號1時儀表空氣走向為1-4，切斷閥B氣缸進氣，A、B氣缸排氣，然后再經電磁閥2-3端口放空，切斷閥達到打開的目的，如果此時發生電源故障，只要電磁閥線圈S2未收到聯鎖信號2，切斷閥依然保持打開位置，直到S2接收到聯鎖信號2時，儀表空氣走向為1-2，切斷閥A氣缸進氣，B氣缸排氣，然后再經電磁閥4-5端口放空，切斷閥達到關閉的目的。

總而言之，雙線圈電磁閥可以實現當電源故障時切斷閥不會因為失電而動作，仍然保持在電源故障前的位置，在實際的設計應用中，單線圈或雙線圈電磁閥的選用必須根據工藝流程的需要，滿足聯鎖要求。

3.2 電磁閥在控制閥參與聯鎖時的應用

圖5中2臺電磁閥分別接收同一個工藝參數（壓力）的不同值（高和低）引起的聯鎖信號。控制閥在正常狀態下為打開狀態，電磁閥S1、S2都處于得電狀態，電磁閥S1進氣口1關閉，排氣口2打開，氣路2、3接通，電磁閥S2進氣口1打開，排氣口2關閉，氣路1、3接通，控制閥不被供氣，氣關式控制閥打開；當電磁閥S1接收到聯鎖信號1（壓力低聯鎖）時，電磁閥S1失電，此時由于聯鎖信號2（壓力高聯鎖）不發生，電磁閥S2仍處于得電狀態，電磁閥S2的進氣口1打開，排氣口2關閉，氣路1、3接通，電磁閥S2仍然為進氣口1打開，旁通口2關閉，氣路1，3接通，即電磁閥S1、S2的1-3均為通路，控制閥由電氣閥門定位器調節；當電磁閥S2接收到聯鎖信號2（壓力高聯鎖）時，電磁閥S2失電，此時由于聯鎖信號1（壓力低聯鎖）不發生，電磁閥S1處于得電狀態，電磁閥S1的進氣VI 1關閉，排氣口2打開，氣路2、3接通，電磁閥S2的進氣口1關閉，排氣口2打開，氣路2、3接通，氣關式控制閥關閉。

圖5 雙電磁閥的應用

4 電磁閥應用時的注意事項

在應用電磁閥的過程中，電磁閥的故障將直接影響到切斷閥或控制閥的動作，常見的故障為電磁閥發生拒動現象，遇到此類問題時，應從以下幾方面排查。

①電磁閥接線頭松動或線頭脫落，電磁閥不得電，應緊固線頭。

②電磁閥線圈燒壞，可拆下電磁閥的接線，用萬用表測量，如果開路，則電磁閥燒壞；可能因線圈受潮引起絕緣不好而漏磁，造成線圈內電流過大而燒毀，因此要防止雨水進入電磁閥。此外，彈簧過硬、反作用力過大、線圈匝數太少、吸力不夠也可使得線圈燒毀。

③電磁閥卡住。電磁閥的滑閥套與閥芯的配合間隙很小（小于8μm），一般都是單件裝配，當有機械雜質帶人或潤滑油太少時，很容易卡住。可用鋼絲從頭部小孔插入，使其彈回。根本的解決方法是將電磁閥拆下，取出閥芯及閥芯套進行清洗，使得閥芯在閥套內動作靈活。

此外在選用電磁閥時還應考慮溫度、壓力、防爆區域劃分等。

總之在設計選用電磁閥時一方面應根據工藝的實際聯鎖保護需要，另一方面還需從電磁閥的可靠性及經濟性考慮。經濟性必須建立在安全、適用、可靠的基礎上，經濟性不單是考慮產品的售價，更要優先考慮其功能和質量以及安裝維修等費用，是產品的性能價格比。