比例电磁铁关键结构参数分析

杜金凤

摘 要：比例电磁铁是比例阀的核心部件，它的水平位移——力特性是比例电磁铁所要求的重要性能，用电磁仿真软件对多种比例电磁铁结构方案进行了电磁学仿真，在此基础上总结出影响位移——力特性及电磁力大小的几个重要参数，并对这些参数对比例电磁铁性能的影响进行分析。

关键词：比例电磁铁，结构参数，电磁学仿真

1.概述

比例电磁铁作为电液比例控制元件的电——机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输给的电流信号转换成力或位移。比例电磁铁推力大、结构简单，对油质要求不高，维护方便，成本低廉，衔铁腔可做成耐高压结构，是电液比例控制技术中应用最广泛的电——机械转换器。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具有十分重要的影响，是电液比例控制技术关键部件之一。

利用已经建立的比例电磁铁仿真模型，通过计算机仿真，比较得出比例电磁铁的关键的结构参数，其中包括衔铁长度、衔铁与导套间的径向间隙、隔磁环工作角度、隔磁环工作长度、隔磁环位置、隔磁环前段几何形状（以下简称隔磁曲线）、导套厚度、工作气隙的形状以及工作气隙宽度等。利用验证的数学模型，对其结构参数进行计算机仿真分析。下面简述仿真结果与分析。

2.比例电磁铁关键结构参数分析

2.1 衔铁长度对比例电磁铁的影响

如图1所示，轴向推力随着衔铁长度的增加而增大，B点处的推力约为A点处推力的3倍；但是曲线的上升速率呈下降趋势，尤其在B点之后，曲线基本呈水平状。产生这种现象的原因在于衔铁长度变化引起磁路的闭合路径发生变化进而导致磁阻变化。在衔铁长度较短的情况下，磁路需经过衔铁后端气隙、衔铁、极靴以及壳体方能闭合，而衔铁长度较长时，磁路通过衔铁、极靴、壳体即形成闭合。可见因衔铁长度变短而引入的后端非工作气隙导致整个磁路磁阻变大，引起磁力大幅度减小。

衔铁作为电磁铁中的唯一可动部件，其设计非常关键。衔铁的形状（径长，轴长）属于敏感参数，一旦设置衔铁尺寸过小，电磁力减小，必须通过增加激磁线圈安匝数来弥补，而安匝数的增加会增大涡流损耗，不利于电磁铁的动特性。衔铁长度过长，不但无法有效增大推力，反而会因为质量的增大延长电磁铁的动作时间。实际选取时，可以选择曲线即将进入饱和段的起始点，使电磁力和质量这对矛盾变量获得一个相对的平衡。

2.2 衔铁与导套间存在径向间隙对比例电磁铁的影响

取径向间隙与衔铁直径的比值k进行研究。径向间隙变化，比例电磁铁的推力幅值变化不大，但是水平段曲线会略有摆动，如图2所示。分析其原因：径向间隙变化，间隙磁阻会随之变化，导套内会有部分漏磁通过，磁场分布产生一定变化，致使主气隙磁通略有变化。k值过大水平力区段尾部上翘，k值过小水平力区段尾部下翘。选择合适的k值，可以得到较好水平力特性。

2.3 隔磁环工作角度对比例电磁铁的影响

隔磁环工作角度是隔磁环关键性的参数之一，隔磁角度决定了比例电磁铁独特的盆形极靴结构的形状。如图3所示，从图中曲线变化情况可知，隔磁环工作角度决定了比例电磁铁位移一力曲线的水平特性。隔磁环工作角度α越大，曲线后段越上翘，曲线起伏波动越明显。产生此种现象的原因在于，隔磁环工作角度增大，经过隔磁环处的磁通分量

得到增大，而此时主气隙磁通相应被削弱，二者产生的电磁力叠加后表现为位移——力特性曲线的起伏波动，水平特性变差。但是当衔铁在大行程位置吸力下降时，可以适当增大隔磁角度α来改善位移一力曲线水平特性。

2.4 隔磁环长度对比例电磁铁的影响

改变隔磁环长度，可以调整比例电磁铁位移一力特性曲线的水平段宽度。增加隔磁环的长度可以增加位移一力曲线水平段的长度，从而增加电磁铁的有效工作长度。一般在实际初步设计中，选取隔磁环长度C等于或大于工作气隙的长度，可以获得较好的水平位移一力控制特性。

2.5 隔磁环位置对比例电磁铁的影响

比例电磁铁在工作行程内的水平位移——力特性曲线是由端面力和附加轴向力两个分力合成的。端面力是由磁感线穿越工作气隙进入极靴而产生；附加轴向力则由磁感线从衔铁直接进入导套而产生。改变衔铁导套形成的磁路上的磁阻可对磁感线分布产生影响，从而改变附加轴向力的大小，控制位移——力特性曲线的形状。而磁阻的大小与磁路截面积成反比，因此调整隔磁环的位置实现可以控制局部磁阻的大小，达到间接控制附加轴向力的目的。如图4所示，左图隔磁环位于工作气隙下方，右图，隔磁环紧邻工作气隙。右图可以得到较好的水平位移——力曲线。

盆口的几何形状是比例电磁铁设计的关键。一般，隔磁环前段都采用直线的方式，构成一个标准的几何锥形盆口。对比直线形状，采用内凹型和外凸型两种曲线构成盆口，如图5所示。从图6可以看出：采用内凹曲线，衔铁的位移力特性最佳；曲线外凸，水平特性段尾部上翘，电磁铁的水平力特性变差；直线则介于二者之间。内凹曲线提供的导磁面积比较狭窄，磁通绝大多数集中在曲线的前端，即导套的底部，此时磁通分量较小，轴向附加力也相应较小；曲线外凸时，隔磁环处的导磁面积加大，磁通更多向导套前端集中，径向磁通分量得到明显加强，使得主气隙磁通受到较大的削弱，衔铁的轴向推力相应出现下跌。因此，内凹型隔磁曲线相较于直线型和外凹型隔磁曲线而言，能够更好的补偿主工作气隙轴向力的幅值变化，因而也就能够获得更好的行程——力特性。

2.7 导套厚度对比例电磁铁的影响

导套厚度的变化引起衔铁轴向推力和衔铁有效工作行程发生变化。从图6可以看出：轴向推力的大小随着导套厚度的增加而增大，但导套厚度超过一定值时，轴向推力的增加值变小，趋于稳定；轴向推力增加的同时衔铁有效行程变短。因此，要增大比例电磁铁的工作行程，可以适当减小导套厚度，但要注意其推力的减小。

产生这种结果的原因是，导套厚度减小的同时，导套与衔铁间的径向间隙会加大，导致间隙磁阻会发生变化。导套内将会产生部分漏磁，主气隙磁通随之改变，因此也会对水平段曲线产生影响，反映为曲线的摆动。

2.8 工作气隙形状对比例电磁铁的影响

由电磁学知识可知，气隙截面积是影响气隙磁导的重要因素，气隙形状的改变会影响磁感线在气隙处的分布状况进而影响位移——力特性曲线的形状。可以考虑设计不同的工作气隙形（即极靴衔铁端面形状）来验证哪种结构更符合比例电磁铁的要求。在比例电磁铁结构设计中，带锥形周边的盆形极靴（相应衔铁端部为锥形）能获得较理想的特性曲线。

3. 结论

对单向比例电磁铁的特性总结如下：衔铁存在最优长度，径长比约为1/2时，可在保证输出足够推力的同时质量最轻；衔铁与导套间的径向间隙对输出特性略有影响，径向间隙过小，水平段曲线会略有上翘，相反，径向间隙比过大，水平段会曲线出现下跌；隔磁环工作角度与隔磁曲线直接关系到盆口极靴的形状及尺寸，分析表明较小隔磁角以及内凹型隔磁曲线能够获得更好的行程力特性；导套厚度同时影响到衔铁轴向推力和工作行程，因此应根据力和行程的实际设计要求，选择适当的导套厚度；采用盆形极靴能获得较理想的特性曲线。

上述所列影响比例电磁铁性能的因素共同存在，互相制约。在设计比例电磁铁时，既要依靠电磁学理论的指导及借鉴国内外优秀产品的经验外，还要善于利用优秀的仿真工具进行更加深入详尽的分

析。

参考文献

[1] 吴根茂，邱敏秀，王庆丰等.新编实用电液比例技术 [M].杭州：浙江大学出版社，2006.

[2] 黄时炜.比例——高速双向复合电磁铁的研究 [D].浙江大学，2006.

[3] 郑羽强.共轨系统高压变量泵用高速比例电磁铁的研究[D].浙江大学，2008.

[4] 康宏伟，刘雪垠.改善比例电磁铁位移——力特性的几点措施[J].流体传动与控制，2010，（01）45