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比例电磁阀电磁设计流程

1.比例电磁铁的结构原理

比例电磁铁结构主要由衔铁、导套、极靴、壳体、线圈、推杆等组成。其工作原理是：磁力线总是具有沿着磁阻最小的路径闭合，并有力图缩短磁通路径以减小磁阻，如图1。

图1比例电磁铁的剖面图

普通电磁铁就是一个开关量，不是开就是关，关的时候开口最小，开的时候开口最大，没有办法调节；比例电磁铁是根据给定电流的大小决定阀开口的大小，是一个连续的过程。比例电磁铁和普通的电磁铁区别就是比例电磁铁是普通电磁铁加一个弹簧，可以使比例电磁铁输出的力和电流成比例关系，和位移无关，所以比例电磁铁必须具有水平吸力特性，即在工作区内，其输出力的大小只与电流有关，与衔铁位移无关。若电磁铁的吸力不显水平特性，弹簧曲线与电磁力曲线族只有有限的几个交点，这意味着不能进行有效的位移控制。在工作范围内，不与弹簧曲线相交的各电磁力曲线中，对应的电流在弹簧曲线以下，不会引起衔铁位移；在弹簧曲线以上时，若输出这样的电流，电磁力将超过弹簧力，将衔铁一直拉到极限位置为止。相反，若电磁铁具有水平特性，那么在同样的弹簧曲线下，将与电磁力曲线族产生许多交点。在这些交点上，弹簧力与电磁力相等，就是说，逐渐加大输入电流时，衔铁能连续地停留在各个位置上。

图2比例电磁铁的电流-力-行程关系

比例电磁铁要求在一定的位移范围内，衔铁的输出力为一准恒定值，如图2所示。根据电磁铁基本工作原理，在衔铁运动过程中，磁阻会越来越小，衔铁受力越来越大，不会出现输出力恒定的情况，为了使电磁铁能在一定位移内输出近视恒定的力，电磁铁采用结构的特殊—隔磁环。隔磁环采用非导磁材料——通常为黄铜，嵌在前后导套的中间，减少电磁铁即将闭合时急剧增大的电磁力，使整个电磁力变的平稳。

导套前段和极靴组合，形成带锥形端部的盆形极靴，导套和外筒间配置同心螺线管式控制线圈。外壳采用导磁材料，以形成磁回路。同时为了衔铁可以左右运动，在左端有挡板，在右端装有弹簧组成的调零机构。

2.比例电磁铁的特性

2.1电磁力

当给比例电磁铁控制线圈通入一定电流时，在线圈电流控制磁势左右下，形成两条磁路，如图3所示，一条磁路由前端盖经盆形极靴底部沿轴向工作气隙进入衔铁，穿过导套后段、导磁外壳回到前端盖极靴，产生轴向力；另一条磁路经盆形极靴锥形周边（导套前段）径向穿过工作气隙，再进入衔铁，而后与汇合形成附加轴向力，二者综合得到比例电磁铁输出力，如图2所示电流-力-行程特性，在比例电磁铁衔铁的整个行程区内，电磁力特性并不全是水平曲线，可将其分为3个区域。在工作气隙接近于零的区域，输出力急剧上升，称为吸合区，比例电磁铁在这一区域不能正常工作，一般在结构上采用非导磁材料限位片将其排除；当工作气隙过大时，电磁铁输出力明显下降，这一区域称为空行程区域，这一区域电磁铁虽然也不能正常工作，但有时是需要的；在吸合区和空行程区之间的区域，具有近似的水平力-位移特性，这一区域称为工作区。

图3比例电磁铁的磁路分布

产生的端面力为：

产生的轴向附加力为：

图4不同位置电磁铁内部磁力线分布

2.2影响电磁力的因素

电磁力的大小为，与线圈匝数平方成正比，与气隙间隙平方成反比。

在电磁阀其它结构参数和驱动电流以及气隙宽度大小相同时，线圈匝数越多，气隙的磁场强度就越强，则气隙磁感应强度也越大，电磁吸力也就越大。但实际上线圈匝数不是越多越好，随着匝数的增加，会使线圈电感和线圈电阻增大，从而在衔铁吸合初始阶段限制了驱动电流的迅速增大，在释放过程中使电流衰减速度变慢。

电磁阀气隙宽度包括衔铁工作行程和残余

箱）等构成的一个完整的体系。

精确控制执行机构的位移，最好的办法是用比例流量阀。比例方向阀只能起到节流阀作用，当负载压力变化时流量会变化，而比例流量阀的流量不遂负载压力变化，开口调定好流量基本不变化。

现在的比例换向阀用的都是电-液比例复合控制。首先，比例阀必须有一个配套的放大器，它接受来自于计算机或者PLC，或者电位器（滑动变阻器）的控制信号，把0-20毫安微弱的信号放大到0-800毫安。然后，放大器把放大的信号传送到电磁阀，电磁阀依据传来的信号大小，克服弹簧力，调节推杆的行程，压力随信号变化的控制油。再后，控制油到达主阀芯的两端，依据不同的压力，推动阀芯移动相应的行程，因为阀芯本身有锥度的台阶与阀体组合，不同的行程得到不同的过流面积，再入口压力稳定的情况下，得到不同的流量，最终实现比例功能。

控制比例阀的比例放大器具有深度电流负反馈的电子控制放大器，其输出电流和输入电压成正比，采用直流稳压源，利用PWM斩波控制技术调整输入电压。比例放大器一般都带有颤振信号发生器和零区电流跳跃等功能。

4.比例电磁铁的设计

设计电磁铁的一般步骤：首先根据电磁吸力的要求及衔铁结构形式估算衔铁直径，然后估算线圈的外径及长度、确定线圈的匝