矿用电机车电控空气制动系统的比例电磁铁设计

黄　培

（江苏建筑职业技术学院机电工程学院　徐州　221116）



矿用电机车电控空气制动系统的比例电磁铁设计

黄培

（江苏建筑职业技术学院机电工程学院徐州221116）

摘要比例电空阀是矿用电机车电控空气制动系统中的一个重要控制元件，电机车的制动性能很大程度上取决于比例电空阀的特性。作为比例电空阀关键部件的比例电磁铁设计合理时，其输出的电磁力与线圈中的电流大小成正比关系，对提高比例电空阀的性能有很大帮助。文中对一种具有盆底结构的比例电磁铁进行了结构设计，并对30Kg推力的比例电磁铁关键参数进行了计算。

关键词电空制动比例电磁铁比例电空阀

The proportion electro-pneumatic changeover valve

一、前言

在矿用电机车电控空气制动系统中，比例电空阀通过控制电流大小来控制输出的空气压力，从而实现系统的制动、保压和缓解，它是整个电机车制动控制单元的关键部件［1］。在比例电空阀的设计中，需要有一个能把输入电信号成比例地转为机械信号的转换装置，这个装置通常简称为电—机转换元件。最常见的电—机转换元件有直流伺服电机、力矩马达、悬挂式力马达和比例电磁铁。比例电磁铁一般有平底止座式、盆底止座式、锥底止座式三种，在实际应用中广泛使用的是具有盆底结构的比例电磁铁［2］。

二、比例电磁铁的结构设计

当线圈9得电时，比例电磁铁的衔铁4由起始位置（图中位置）向左推出，由推杆11带动比例电空阀中的活塞杆运动，活塞杆克服平衡阀弹簧抗力打开总风缸，总风通过活塞杆外腔进入控制风缸实现电机车的制动；当线圈持续通电时，电空阀膜板上腔压力与比例电磁铁的推力相等，比例电空阀处于平衡状态，控制风缸和总风断开，制动系统处于保压状态；如果比例电磁铁线圈无电流，弹簧使衔铁回到起始位置，控制风缸压力空气全部排入大气，系统制动力缓解［3］。比例电磁铁结构如图1所示。

三、参数计算

为了使具有盆底结构的比例电磁铁更好的适应电机车制动系统的要求，现对30kg推力的比例电磁铁关键参数进行设计计算，如图2所示。

1、盆底结构计算

（1）最大电磁吸力Fm

磁感应强度B最大为1T，根据电工纯铁B—K？图，取磁通系数Kφ取为11。

设计的最大行程δ0为0.5cm，代入参数，得到Fm为302 N。

（2）衔铁截面积S0和d1、d2的计算

由

其中，取气隙磁感应强度B0为1T，取空气磁导率μ0为4π×10-7H/m，求得衔铁截面积：

推力为302N时，推杆直径d0经计算为12mm，代入（3—4）式得d1为3.33cm。半径间隙取0.02mm。

分配比：

经验值取k在0.6～0.7之间5。由（3—5）式得：

根据经验值，取分配比k为0.65，代入（3—6）式得d2为4.1665cm。半径间隙取0.02mm。

（3）盆底的半锥角：

代入（3—7）式得α为39.9°，取40°。

（4）盆底深度：

2、线圈计算

（1）线圈安匝计算：

铁磁材料影响系数λ1一般取值范围为0.65～0.85，因B0较大，取小值0.65。气隙系数λ2一般取值范围为0.25 ～0.45，取中值0.4。代入（3—9）式得：

取整为3500安匝。

（2）线圈长度计算

温升公式：

ls，bs分别为线圈长度及厚度。设C = ls / bs，将ls = C bs代入（3—11）式得到线圈长度方程：

工作温度为90度时的电阻率ρx取为2.2×10-8Ω /m，C一般取为5，线圈填充系数ft取为0.6，温升［θ］取为90度，65度时散热系数μs的取值为12×10-4W / m2C，代入（3—12）式求得线圈的长度为101mm。

（3）初定线圈的内、外直径

线圈内径DN= d2≈4.2 cm

线圈外径Dw=d2+2bs+0.05≈8.25 cm

（4）计算导线直径和线圈能容纳的匝数

根据电压方程公式：

gx为导线截面面积（mm2），Rx为线圈总电阻（Ω），Dx为线圈平均直径（mm），推出导线直径方程：

电压U取110V，将各参数代入电压方程得导线直径约为0.417mm。

参考线规表，选漆包线内径为0.41 mm，外径为0.45mm，计算外径取0.5mm。

容量计算：

初步选电流I =1安，线圈共3500匝。选线圈长度为100mm，厚度为24mm，那么：

纵向可排1 00÷0.5=200列，横向可排20÷0.5=40层，总共可容纳8000匝。

（5）估算线圈电阻

线圈总长：

查表得导线每米长电阻为0.132Ω，算出总电阻为89.9Ω，取90Ω。因电压为110V，额定电流为1安，所以还应串联20Ω的电阻。

四、结束语

针对矿用电机车制动系统比例电磁铁存在的线性差、灵敏度不高等突出性问题，本文在分析了各种结构比例电磁铁优缺点的基础上，设计出的盆地结构比例电磁铁具有性能可靠、抗干扰性好、在允许温升下能稳定工作等优点，并且具有水平吸力特性，能把电信号按比例地、连续地转换成机械信号输出。相信该电磁铁在实际中的使用必能提高矿用电机车电控空气制动系统比例电空阀的制动性能。

参考文献

［1］章宏甲，黄谊，王积伟.液压与气压传动［M］.北京：机械工业出版社，2012.5.

［2］姚寿文.长大货物列车电控空气制动系统及防滑器的智能控制研究［R］.北京：铁道部科学研究院，2010.6.

［3］王爱乐，卜庆华.比例电磁阀用直线电机几个关键参数的设计［J］.微电机，2012（2）：24～27.

［4］龙海涛，夏寅荪，谢胜强.高速列车制动系统电空转换装置［J］.上海铁道大学学报，2008，19（10）：73-77.

［5］聂晓文，韩晓晖，王万宾.电空制动系统电空阀作用原理分类浅析［J］.铁道车辆，2008，36（7）：28-30.

Design of the Proportional Electromagnetism in Trolley Locomotive's Electro-pneumatic Brake System

Huang Pei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangsu Institute of Architectural Technology Xuzhou 221116）

AbstractThe proportional electromagnetic valve is the key control part of the electro-pneumatic brake system in trolley locomotives，and the brake capability of the trolley locomotives partly lie on the proportional electromagnetic valve.As the key part of the proportional velectromagnetic valve，the proportional electromagnetism plays a crucial part，its output's electromagnetic force is proportioned with the electricity in the the winding. Lastly designed a kind of bottom-structure proportion electromagnetism，and calculated the key parameter of the 30 kilogram-force's bottom-structure proportion electromagnetism.

KeywordsThe electro-pneumatic brake The proportion electromagnetism

中图分类号TM574.3

文献标识码A

文章编号160223-7210

作者简介

黄培（1981年～），性别男，江苏徐州人，2005年毕业于西安科技大学大学机械电子专业，获硕士学位，讲师，现为江苏建筑职业技术学院教师；主要从事电气自动化与控制系统的教学与研究。