比例電磁鐵關鍵結構參數分析

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構方案進行了電磁學仿真，在此基礎上總結出影響位移——力特性及電磁力大小的幾個重要參數，并對這些參數對比例電磁鐵性能的影響進行分析。

關鍵詞：比例電磁鐵，結構參數，電磁學仿真

1.概述

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

利用已經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鍵的結構參數，其中包括銜鐵長度、銜鐵與導套間的徑向間隙、隔磁環工作角度、隔磁環工作長度、隔磁環位置、隔磁環前段幾何形狀（以下簡稱隔磁曲線）、導套厚度、工作氣隙的形狀以及工作氣隙寬度等。利用驗證的數學模型，對其結構參數進行計算機仿真分析。下面簡述仿真結果與分析。

2.比例電磁鐵關鍵結構參數分析

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。產生這種現象的原因在于銜鐵長度變化引起磁路的閉合路徑發生變化進而導致磁阻變化。在銜鐵長度較短的情況下，磁路需經過銜鐵后端氣隙、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。可見因銜鐵長度變短而引入的后端非工作氣隙導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，其設計非常關鍵。銜鐵的形狀（徑長，軸長）屬于敏感參數，一旦設置銜鐵尺寸過小，電磁力減小，必須通過增加激磁線圈安匝數來彌補，而安匝數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，使電磁力和質量這對矛盾變量獲得一個相對的平衡。

2.2 銜鐵與導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，導套內會有部分漏磁通過，磁場分布產生一定變化，致使主氣隙磁通略有變化。k值過大水平力區段尾部上翹，k值過小水平力區段尾部下翹。選擇合適的k值，可以得到較好水平力特性。

2.3 隔磁環工作角度對比例電磁鐵的影響

隔磁環工作角度是隔磁環關鍵性的參數之一，隔磁角度決定了比例電磁鐵獨特的盆形極靴結構的形狀。如圖3所示，從圖中曲線變化情況可知，隔磁環工作角度決定了比例電磁鐵位移一力曲線的水平特性。隔磁環工作角度α越大，曲線后段越上翹，曲線起伏波動越明顯。產生此種現象的原因在于，隔磁環工作角度增大，經過隔磁環處的磁通分量

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

2.4 隔磁環長度對比例電磁鐵的影響

改變隔磁環長度，可以調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。一般在實際初步設計中，選取隔磁環長度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 隔磁環位置對比例電磁鐵的影響

比例電磁鐵在工作行程內的水平位移——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生；附加軸向力則由磁感線從銜鐵直接進入導套而產生。改變銜鐵導套形成的磁路上的磁阻可對磁感線分布產生影響，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，因此調整隔磁環的位置實現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，左圖隔磁環位于工作氣隙下方，右圖，隔磁環緊鄰工作氣隙。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計的關鍵。一般，隔磁環前段都采用直線的方式，構成一個標準的幾何錐形盆口。對比直線形狀，采用內凹型和外凸型兩種曲線構成盆口，如圖5所示。從圖6可以看出：采用內凹曲線，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。內凹曲線提供的導磁面積比較狹窄，磁通絕大多數集中在曲線的前端，即導套的底部，此時磁通分量較小，軸向附加力也相應較小；曲線外凸時，隔磁環處的導磁面積加大，磁通更多向導套前端集中，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出現下跌。因此，內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 導套厚度對比例電磁鐵的影響

導套厚度的變化引起銜鐵軸向推力和銜鐵有效工作行程發生變化。從圖6可以看出：軸向推力的大小隨著導套厚度的增加而增大，但導套厚度超過一定值時，軸向推力的增加值變小，趨于穩定；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，可以適當減小導套厚度，但要注意其推力的減小。

產生這種結果的原因是，導套厚度減小的同時，導套與銜鐵間的徑向間隙會加大，導致間隙磁阻會發生變化。導套內將會產生部分漏磁，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

由電磁學知識可知，氣隙截面積是影響氣隙磁導的重要因素，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。可以考慮設計不同的工作氣隙形（即極靴銜鐵端面形狀）來驗證哪種結構更符合比例電磁鐵的要求。在比例電磁鐵結構設計中，帶錐形周邊的盆形極靴（相應銜鐵端部為錐形）能獲得較理想的特性曲線。

3. 結論

對單向比例電磁鐵的特性總結如下：銜鐵存在最優長度，徑長比約為1/2時，可在保證輸出足夠推力的同時質量最輕；銜鐵與導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，水平段會曲線出現下跌；隔磁環工作角度與隔磁曲線直接關系到盆口極靴的形狀及尺寸，分析表明較小隔磁角以及內凹型隔磁曲線能夠獲得更好的行程力特性；導套厚度同時影響到銜鐵軸向推力和工作行程，因此應根據力和行程的實際設計要求，選擇適當的導套厚度；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。在設計比例電磁鐵時，既要依靠電磁學理論的指導及借鑒國內外優秀產品的經驗外，還要善于利用優秀的仿真工具進行更加深入詳盡的分

析。

參考文獻

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