比例电磁铁工作原理

比例电磁铁

前面多次提到过在比例阀中占很重要地位的驱动控制部分――将电信号转换为位移信号的电- 机械转换器。那么此节将对它作一个详细的介绍。 液压控制系统中最主要的被控参数是压力与流量，而控制上述两个参数的最基本手段是对流阻 进行控制。一种控制流阻的技术途径是直接的电液转换。它是利用一种对电信号有粘性敏感的流体介质一电粘性液压油，实现电液粘度转换，从而达到控制流阻、实现对系统的压力和流量控制的目的。显然，这种流阻控制方式更为简便，它无需电－机转换元件。但是目前这种技术还未达到实用阶段和要求。

目前生产技术上能实现的可控流阻结构形式是通过电-机械转换器实现间接的电-液转换。将输入的电信号转换成机械量。这种电-机械转换器是电液比例阀的关键组件之一，它的作用是把经过放大后的输入信号电流成比例的转换成机械量。 根据控制的对象或液压参数的不同，这个力或者传给压力阀的一根弹簧，对它进行预压缩，或者输出的力、力矩与弹簧力相比较，产生一个与电流成比例的小位移或转角，操纵阀芯动作，从而改变可控流阻的液阻。可见，电一机转换器是电液比例阀的驱动装置。它的静态，动态特性对整个比例阀的设计和性能起着重要的作用。

电- 机械转换器分类

a. 按其作用原理和磁系统的特征分，主要有：电磁式、感应式、电动力式、电磁铁式、永磁式、极化式；动圈式、动铁式；直流、交流。

b. 按其结构形式和性能分，主要有：开关型电磁铁、比例电磁铁、动圈式马达、力矩马达、步进电动机等。 比例电磁铁

本设计属于电液比例阀一大类，顾名思义其应用的电- 机械转换器应是比例电磁铁。

比例电磁铁的功能是将比例控制放大器输出的电信号转换成力或位移。比例电磁铁推力大，结构简单，对油液清洁度要求不高，维护方便，成本低，衔铁腔可做成耐高压结构，是电液比例控制元件中广泛应用的电- 机械转换器件。比例电磁铁的特性及工作可靠性，对电液比例控制系统和元件的性能具有十分重要的影响，是电液比例控制系统的关键部件之一。 比例电磁铁的分类

比例电磁铁的类型按照工作原理主要分为如下几类: (1)力控制型

这类电磁铁的行程短, 输出力与输入电流成正比, 常用在比例阀的先导控制级上；

(2)行程控制型

由力控制型加负载弹簧共同组成, 电磁铁输出的力先通过弹簧转换成输出位移, 输出位移与输入电流成正比, 工作行程达3mm, 线性好, 可以用在直控式比例阀上；

(3)位置调节型

衔铁的位置由传感器检测后, 发出一个阀内反馈信号, 在阀内进行比较后重新调节衔铁的位置。在阀内形成闭环控制, 精度高, 衔铁的位置与力无关。精度高的比例阀如德国的博世、意大利的阿托斯等都采用这种结构。

比例电磁铁应满足的要求 (1) 具有水平吸力特性，即输出的机械力与电信号大小成比例，与衔铁位移无关，能把电气信号按比例地、连续地转换成机械力输出给液压阀； (2) 有足够的输出力和行程，结构紧凑，体积小； (3) 线性好，死区小，灵敏度高； (4) 动态性能好，响应速度快；

(5) 比例阀在长期工作中，其温升不得超过要求。在允许温升下能稳定工作； (6) 能承受液压系统的高压，抗干扰性好； 对于以上这些要求，很多情况下难以同时得到满足，这时应根据具体应用场合加以考虑。对某些应用场合，可能输出的有效作用力及行程最为重要。

比例电磁铁的结构

比例电磁铁结构如上图，它由线圈、衔铁、推杆、外壳等组成。

当有信号输入线圈时, 线圈内磁场对衔铁产生作用力, 衔铁在磁场中按信号电流的大小和方向成比例、连续地运动, 再通过固连在一起的销钉带动推杆运动, 从而控制滑阀阀芯的运动。 比例电磁铁的位移－力特性

比例电磁铁是一种湿式直电磁铁，普通电磁换向阀所用电磁铁只要求有吸合和断开两个位置，并且为了增加电磁吸引力，磁路中几乎没有气隙，而比例电磁铁根据电磁原理，在结构上进行特殊设计, 使之形成特殊的磁路（这种磁路在衔铁的工作位置上磁路中必须保证一定的气隙），以获得基本的吸力特性，即水平的位移－力特性，能使其产生的机械量(力或力矩和位移)与衔铁的位移无关，而与输入电信号(电流) 的大小成比例。这个水平力再连续地控制液压阀阀芯的位置，进而实现连续地控制液压系统的压力、方向和流量。由于比例电磁铁可以在不同的电流下得到不同的力(或行程) , 因此可以无级地改变压力、流量。其原理见下图：

比例电磁铁的特性

比例电磁铁位移－力特性的实现原理

比例电磁铁的磁路在工作气隙附近被分为两个部分，其中的一部分沿轴向穿过工作气隙进入极靴，产生端面力Fm1；而另一部分穿过径向间隙进入导套前端，产生轴向附加力Fm2。两者的综合就得到了比例电磁铁的水平位移－力特性。该特殊形式磁路的形成，主要是由于采用了隔磁环节结构，构成了一个带锥形周边的盆形极靴。

比例电磁铁电流－力特性

由于本设计中用的比例电磁铁是力控制型，这种比例电磁铁的衔铁工作在有效行程区域内时，改变控制线圈的电流，可调节输出电磁力的大小。由于在比例放大器中设置了电流负反馈环节，在电流设定值恒定不变时，即使磁阻变化，也可使电磁力保持不变。下图为相应的电流－力特性曲线。 图比例电磁铁的电流－力特性曲线

对比例阀的性能指标的分析 静态性能指标

(1)滞环 电液比例阀的输入电流在正负额定值之间作一次往复循环时，同一输出

值(压力或流量)对应的输入电流存在差值△I。通常规定差值中的最大值 与额定电流的百分比为电液比例阀的滞环误差。滞环误差越小，电液比例阀静态性能越好，一般允许最大滞环误差为7％。

(2)线性范围及线性度 为了保证电液比例阀输出的流量或压力与输入的电流成正比变化，一般将压力――电流、流量――电流的工作范围取在特性曲线的近似直线部分，这个工作范围称为电液比例阀的线性范围。线性度是指线性范围内特性曲线与直线的最大位移 相对于额定输入电流的百分比。选择电液比例阀时，应选线性范围宽及线性度小的阀。

(3)分辨率 电液比例阀输出的流量或压力发生微小变化(△Q或 p)时，所需要的输入电流的最小变化量与额定输入电流的百分比称为分辨率。分辨率小，静态性能好，但分辨率不能过小，否则会使阀的工作不稳定。

(4)重复精度 在某一压力或流量下重复输入电流，多次输入电流的最大差值 与额定输入电流的百分比称为重复精度。重复精度越小阀的性能越好。 动态性能指标

(1)阶跃响应 当给定的输入电流为阶跃信号时，输出的压力或流量达到稳定状态所需的时间称为阶跃时间，它的大小反映了比例阀动作的灵敏度。阶跃时间一般应小于0.45s。所谓稳定状态系指输出信号大于调定值的98％的工况。

(2)频率响应 当加入频率为ω的正弦扰动时，在稳定状态下输出和输入的复数比值关系称为频率响应。电液比例阀的频率响应定义在增益为-3db、滞后相位角为-45°处，该处的频率越高，阀的性能越好。国产阀一般为4Hz

结论

电液比例控制技术是一门起步较晚，但发展极为迅速、应用已相当广泛的机电液一体化综合技术。今天，电液比例控制技术以其一系列优点在工业中应用已经相当普遍，在新系统设计和旧设备改造中正成为用户的重要选择方案，对提高企业的技术专装备水平和设备的自动化程度，发挥了极为重要的作用。

电液比例控制技术一个发展趋势是与电液伺服技术技术的密切结合，产生所谓的电液比例伺服技术。

当今工业界的一个极为重要的发展趋势是机、电、液一体化，相应的机电液一体化技术将体现到一个国家的综合国力水平，甚至关系到国防实力，各国如果没有认清这一趋势，不予以高度重视，将在这一领域内迅速落伍，并可能在未来的综合国力较量中落于下风。

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