FKM型電空閥電磁力與啟動臨界點電壓參數的研究

王希營， 郭志杰

（中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲412001）

0 引言

電空閥是通過直流電源使線圈產生磁場力來控制壓縮空氣管路的接通或切斷，從而達到遠距離控制氣動裝置的電器裝置[1]。電磁力的大小與線圈匝數數量、通電電流大小密切關聯，當電壓恒定時，線圈匝數和電流大小可以通過電阻大小反映出來，考慮機車的應用工況，在研究電空閥啟動電壓時需考慮到電阻受到環境溫濕度影響。電空閥在進行工作時存在2個電壓（即啟動電壓和DC 110 V工作電壓值），為保證在啟動電壓工況下電空閥能正常準確、可靠地工作，啟動電壓是研究電空閥電磁力的一個重要參數數據。

1 磁路分割法計算電磁力

電空閥正常使用條件：額定電壓為DC 110 V；工作電壓為DC 77.0～137.5 V（機車車輛提供）；額定氣壓為900 kPa，最大工作氣壓為1000 kPa，最小工作氣壓為675 kPa；使用環境溫度為-40～+50 ℃；環境最大相對濕度≤90%（月平均最低溫度為25 ℃）。

1.1 電磁力及磁阻理論計算

考慮電空閥基本結構類似直流螺線管電磁鐵，在穩態工作時產生電磁力為[2]

式中：Φ為氣隙磁通，Wb；μ0為真空磁導率，Wb/（A·m）；S為磁路截面積，m2；B為氣隙磁感應強度，T。

鑒于磁路具有串聯和并聯特征，對于電磁吸力計算需重點考慮表征導磁能力的磁阻，同時磁路分割法能保證精確地計算電空閥各組成部件的磁導，即將電空閥部件分割成許多具有簡單幾何形狀的圓柱磁體，計算各部分磁阻，再根據磁路中各磁阻的連接關系確定總的磁阻，其中通用磁阻的計算公式為[3]

式中：μ為導磁介質的磁導率；Lm、Sm分別為磁介質的長度和截面積。

1.2 實例分析

針對電空閥中的電磁鐵，電磁鐵部分為軸對稱結構（如圖1），材料如表1所示，熱軋圓鋼和無縫鋼管作為導磁材料，計算時需定義材料的參數，酚醛塑料、氣隙等為非導磁材料，其相對磁導率為1[4]。

圖1 電空閥結構示意圖

電空閥技術指標參數如下：穩定氣隙為（1.9±0.2）mm；閥桿行程δ為（1.0±0.1）mm；20 ℃時電阻值為891.1～1013 Ω；線圈匝數為13 000；動鐵芯和靜鐵芯圓錐角度θ為45°；磁路截面積S=192-[19-2tan θ·（1.9-δ）]2=129.56-60.8δ-4δ2。

表1 電空閥各部分材料

1.3 磁路分割計算結果

根據電空閥結構關系將氣隙、動鐵芯、靜鐵芯和紫銅管組成幾個串聯磁路，先計算獨立部分的磁阻，然后計算整個磁路的磁阻，再根據磁路的歐姆定律求得磁路的磁通Φ。計算時認為銅管為非導磁材料，其相對磁導率為1[4-5]，根據式（2）計算各部件磁阻，如表2所示。

表2 各部分磁阻 H-1

根據電空閥技術參數，正常工作電壓DC 110 V時磁路磁通為

將以上參數代入式（1），電磁鐵吸力為

2 試驗裝置及工況設定

在考慮環境溫濕度情況下，測量不同工作狀況時電空閥電磁力的大小，選取10套FKM型電空閥分別編號，要求其中兩套線圈電阻一致，其余幾套電阻各不一樣，并分別記錄當時安裝環境下及試驗時每組的電阻值和環境的溫濕度，根據在DC 60 V、DC 77 V及DC 110 V下通電一段時間，分4段時間分別記錄磁軛筒溫度及電磁力顯示值。

改裝后的研究裝置包括金屬二位三通FKM電空閥、電空閥電磁力試驗工裝、壓緊力研究裝置、220 V直流電源、溫濕度計、秒表、歐姆表、手持式溫度測量儀及電空閥微機壽命試驗臺，如圖2所示。

圖2 研究測試裝置

3 試驗結果統計分析

通過對試驗數據進行統計，試驗不同電壓下通電時間和電空閥磁軛筒溫度及電磁力大小關系的折線圖，如圖3～圖8所示（圖中各曲線分別為1～10號電空閥）。

其次同時對10組電空閥在不同電壓下測量初始電磁力值進行統計，得到關于電阻和電磁力關系的折線圖，如圖9～圖11所示。

圖3 DC 60 V通電下通電時間和電空閥磁軛筒溫度關系

圖3～圖8中隨著電空閥磁軛筒的溫度升高，電磁力的大小也存在略微的下降。隨著電壓升高，電空閥電磁力大小也隨之升高。同時隨之電空閥電阻值增加，電磁力也略微有所下降，但不影響其動作性能。

圖4 DC 60 V通電下通電時間和電空閥電磁力大小關系

通過對10組電空閥數據統計分析，在環境溫度為27 ℃，濕度為52%RH情況下，DC 60 V電壓下電空閥電磁力大小在26 N 左 右，DC 77 V 電壓下電空閥電磁力大小在44 N左右，DC 110 V 電壓下電空閥電磁力大小在87 N左右（理論計算為104.95 N，由于電空閥內有摩擦阻力等因素，電磁力大約損失15%，符合設計要求）。

圖5 DC 77 V通電下通電時間和電空閥磁軛筒溫度關系

從圖9～圖11試驗顯示，隨電空閥電阻值增加，電磁力也略微有所下降。在最低啟動電壓為DC 60 V時，電空閥的電磁力大小為26 N左右，且通過100萬次以上壽命試驗驗證完全滿足各項性能要求，不影響其動作性能。

4 結語

經實驗總結研究分析，環境溫度為27 ℃時，此電空閥的啟動臨界點電壓值為60 V為宜（當環境溫度變化時，由于電空閥內部電阻的變化啟動為電壓值會相應地稍微增加，即可依次得出其它溫度下的臨界點值）。若產品批量例行試驗時，當環境溫度為27 ℃時，啟動電壓值大于60 V，例如70 V才啟動工作，說明了電空閥啟動遲緩，啟動遲緩分析原因為：該電空閥由于內部阻力超標或繞制裝配過程中的因素影響而導致不合格。

圖6 DC 77 V通電下通電時間和電空閥電磁力大小關系

圖7 DC 110 V通電下通電時間和電空閥磁軛筒溫度關系

圖8 DC 110 V通電下通電時間和電空閥電磁力大小關系

圖9 DC 60 V通電下各組電空閥電阻值和電磁力關系

圖10 DC 77 V通電下各組電空閥電阻值和電磁力關系

圖11 DC 110 V通電下各組電空閥電阻值和電磁力關系

通過對電空閥啟動臨界點電壓與電磁力合適大小的綜合分析，得出批量生產試驗時的標準和依據，為產品批量生產試驗提供更為精確的判斷，提高了產品的質量。