一种提高电磁阀响应时间的改进设计

江澎，雷晓峰，李彦卿，仝继钢，王抓

(凯迈(洛阳)气源有限公司,河南 洛阳 471009)

一种提高电磁阀响应时间的改进设计

江澎，雷晓峰，李彦卿，仝继钢，王抓

(凯迈(洛阳)气源有限公司,河南 洛阳 471009)

为达到提高电磁阀响应时间的目的，经相关分析，在不改变电磁阀主体结构的基础上，更改线圈设计，采用双线增助互绕等方法将原有电磁阀响应时间50ms提高至10ms，满足了某飞行器快速响应时间的要求。

直流；电磁阀；响应时间；电感

1 概述

某定型高压气动电磁阀具有成熟的结构设计，能够满足某飞行器用电磁阀的外形尺寸、工作压力、流量和电压等各方面要求，但响应时间大于50ms，不能满足关于响应时间不大于20ms的新要求。这就需要在原有产品基础上进行相关改进，以满足某飞行器用电磁阀的响应时间要求。

2 产品分析

2.1 结构及工作原理

如图1所示，电磁阀为直动式结构，线圈通电后在电磁阀内部产生磁场，动铁芯在电磁力作用下运动，实现开状态；断电后，电磁力消失，动铁芯在弹簧力作用下实现复位，实现关状态。

2.2 原有参数

工作压力 35MPa；

工作电压 27VDC；

工作流量 ≥1300L/min；

工作温度 -55～+70℃；

响应时间 50ms。

图1 电磁阀结构

3 原理分析

电磁阀的响应时间实际上是指电磁阀所能达到的开关频率，即：

t总=ton+toff

目前电磁阀关闭响应时间toff由复位弹簧完成，为避免改变定型电磁阀流量参数，内部定型结构不进行更改，因此主要的设计改进方向在于如何提高电磁阀的开启响应时间ton。

开启响应时间ton的公式如下：

ton=t1+t2

(1)

t1—电磁延迟时间；

t2—机械运动时间。

3.1 电磁延迟时间t1

(2)

L/r—线圈时间常数(r为线圈半径)

u—工作电压；

I0—工作电流。

由t1公式可知，减小线圈时间常数L/r、提升电压可以达到减小时间t1的目的。由于结构一定，r为定值，工作电压一定，因此可以通过改变电感L实现减小时间t1，同时在电压一定的条件下，适当减小线圈电阻，变相提高电流Io从而减小时间t1。

3.2 机械运动时间t2

(3)

m—运动质量；

x0—工作气隙；

F—电磁吸力；

F0—静态阻力。

由于电磁阀内部结构未发生改变，t2公式中的参数未发生变化，此处不再进行改进设计。

3.3 理论分析结果

通过以下两种方式改进可提高现有定型电磁阀的响应时间：

(1) 减小线圈电感L；

(2) 适当减小线圈电阻R。

4 改进设计

4.1 减小线圈电感L

从原理上分析，电磁阀线圈匝数直接影响电磁力的输出，增加线圈匝数可以提高电磁转换效率，从而增加电磁力。通过实际测试，匝数增多，虽然电磁力增加，但相对响应时间变慢，且通过电感模型公式(4)及实心电感公式(5)[1]可知，线圈匝数增加，线圈电感同样会增加，从而阻碍电流上升速度，影响响应速度的提升。

电感模型公式：

(4)

N—线圈匝数；

Rm—等效磁路磁阻；

Rδ—等效工作气隙磁阻；

Rr—等效非工作气隙磁阻；

δ—初始工作气隙；

x—运动位移量；

μδ—工作气隙磁导率；

Sδ—工作气隙截面积。

实心电感公式：

(5)

N—匝数；

D—直径；

W—宽度；

H—高度。

为避免减少线圈匝数导致电磁力减少，参考相关文献[2，3]可知，使用双线增助并联方式进行绕线(如图2所示)，通过公式(6)[1]可以得知，将两个相同电感的线圈并联，现有电磁阀结构等效电感接近独立线圈电感的一半。

图2 双线增助并绕接线图

(6)

L1、L2—线圈自感；

M—线圈互感；

l—线长；

D—中心距。

4.2 减小线圈电阻R

将原有线圈匝数更改为0.5N×2匝，根据电阻并联公式(6)可以知道，双线圈的电阻完全相同，电阻减小为原有的1/4，即电流Io增加4倍。

R1—线圈1电阻；

R2—线圈2电阻。

5 响应时间测试

5.1 测试方法

响应时间主要测试电流(电压)上升时间，达到90%额定电流(电压)所需的时间。试验方法如图3所示，通过示波器采集采样电阻上的电压上升时间来等效判断电磁阀线路中的电流上升时间，示波器采集到电压开始触发计时。

图3 响应测试原理示意图

5.2 测试结果

如图4所示，电磁阀响应曲线平稳光滑，10ms达到90%电压值；约7ms，曲线出现拐点，拐点结束时，理论上动铁芯应该完全吸合。(由公式(4)可知，动铁芯向吸合面移动时，随着磁阻变小，线圈电感增大，产生了一个由于电感增大而阻碍电流变化的感应电动势，导致电磁阀完全闭合前的电流不是按照指数曲线上升[4]。)

图4 响应测试曲线(横向每格为4ms)

6 结论

通过对电磁阀响应时间计算公式的深入分析，对定型高压气动电磁阀进行了相关改进设计。在不改变电磁阀主体结构的情况下，通过双线增助并联方式减小线圈电感L和线圈电阻R，提高原有电磁阀响应时间，且通过试验验证了改进设计的正确性。通过将原有定型电磁阀响应时间从50ms提高至10ms，解决了某飞行器快速响应的要求，创造了一定的经济效益。

[1] 金代中，电工速查速算手册[M].机械工业出版社.

[2] 宋会玲，王春民，王云岩，等.集成控制双绕组高速电磁阀的设计与仿真分析[J].火箭推进2012,12.

[3] 周奇,康宜华,武新军，等.直流线圈励磁的有限元分析计算[J].无损检测，2006,12.

[4] 张廷羽,张国贤.高速开关电磁阀的性能分析及优化研究[J].机床与液压2006，9.

An Improved Design to Increase Solenoid Valve′s Response Time

JIANGPeng，LEIXiao-feng，LIYan-qing，TONGJi-gang，WANGZhua

(CAMA(Luoyang) Gas Co.Ltd.Luoyang 471009,China)

In order to achieve the purpose of improving the response time of the solenoid valve,through correlation analysis,without changing the basic solenoid valve body structure,change the coil design,adopt double cross winding etcetera methods to improved the origina valve response time from 50ms to 10ms,and satisfy the time requirements of a space propulsion should be rapid response time.

direct current；solenoid valve；response time；inductance

1004-289X(2015)02-0042-03

TM72

B

2015-01-17

江澎(1987-)，男，助理工程师，学士学位，目前主要从事高压气动电磁阀设计工作。