温度对电磁阀驱动影响的计算分析

引言

电磁阀是一种靠电磁线圈电磁力控制管路系统流体通断的阀门。随着汽车工业、空调、化工设备、航天航空等行业自动化进程的加快,电磁阀以其快速、精准、高效的控制特点,在这些行业的应用越来越广泛。电磁线圈是电磁阀的核心动力来源,电磁线圈也可适配不同的电路来工作,是自动化流体控制的基础元件。近年来,电磁阀的设计和应用趋于成熟,但在实际应用中存在高温状态下电磁阀开阀能力衰减甚至不满足开阀压力差设计要求的缺陷。

本文重点分析温度对电磁线圈磁动势、电磁阀的电磁力和开阀能力的影响,意在得出温度和电磁阀关键特性的直接关联公式,为后续电磁阀在不同温度环境条件下的应用提供参考。

1电磁阀结构及运行原理

电磁阀由电磁线圈和阀总成部件配合形成驱动通断功能,如图1所示。电磁线圈一般由线圈骨架、漆包线绕组、绝缘包封层等部分组成,绝缘漆包线绕制于线圈骨架上。阀部件包括动铁芯、静铁芯和复位弹簧。动、静铁芯均为软磁材料,当线圈不通电无磁场时,动、静铁芯不带磁性或磁性很弱;当线圈通电形成磁场时,软磁材料被励磁产生磁性,克服弹簧力和静铁芯上的压力差相互吸合。

以常闭直动式电磁阀为例,当线圈未通电时,动铁芯、静铁芯在复位弹簧的作用下,两者分开,阀口闭合,实现关阀功能;当线圈通电时产生磁场,使动、静铁芯被励磁相互吸合,阀口打开,实现开阀功能。

磁动势是衡量电磁线圈性能的主要指标,磁动势主要取决于漆包线绕制的匝数、线圈骨架的内外径,同时受线圈温度、驱动电压的影响;电磁力和开阀压力差是衡量电磁阀性能的主要指标,电磁力除了受线圈因素影响外,还与阀总成内部的气隙长度、气隙面积相关;基于电磁力计算的开阀压力差还与阀总成内部阀口尺寸、复位弹簧力相关。

2线圈磁动势和电磁阀电磁力计算

2.1磁动势计算

磁动势是线圈电流I和线圈匝数N的乘积(IN),又名"安匝数"。首先分别计算出线圈电流I和线圈匝数N。

线圈匝数N取决于线圈骨架的3个参数H、D1、D2和绕制于骨架上的漆包线线径d,线圈匝数的计算公式如下:

式中:H为线圈骨架上漆包线总绕线宽度(mm):D1为线圈骨架上漆包线绕线轴径(mm):D2为线圈骨架上漆包线绕线外径(mm):d为漆包线线径(mm)。

总绕线长度L为:

线圈电阻R为:

式中:p为铜的电阻率(mm2/m):s为漆包线的截面积(mm2)。

线圈绕制完成后,其电阻值R也随之确定,当电磁线圈的驱动电压明确时,电磁驱动电流可由公式I=U/R计算如下:

磁动势IN为:

从上述公式分析得出,在其他参数固定的条件下,磁动势与电压成正比关系,与电阻率成反比关系。

2.2磁感应强度和电磁力计算

电磁阀磁动势降绝大部分在气隙处,除气隙外电磁阀其余部分的材料导磁性能均良好,气隙长度是指动铁芯从复位位置到吸合位置的运行长度,即行程[5],行程越长则磁场强度和电磁力相应下降越多,公式可以转化为:

式中:H0为气隙磁场强度(A/m):6为气隙长度(mm):B0为气隙磁感应强度(T):μ0为磁导率,取4m×10-7H/m。

磁感应强度的计算:

电磁力简化算法:

式中:s0为气隙面积(mm2)。

从上述公式分析得出,在其他参数固定的条件下,电磁力与电压的平方成正比关系,与电阻率的平方成反比关系。

2.3磁动势、电磁力与温度对应关系计算

当线圈通电时,线圈会发热,漆包线电阻率会随着温度变化而发生变化,计算公式为:

式中:7为线圈温度(℃)

将公式(9)代入磁动势计算公式(5),得出磁动势与温度的计算公式:

式中:U为工作电压(v):d为漆包线线径(mm):7为线圈温度(℃):D1为线圈骨架上漆包线绕线轴径(mm):D2为线圈骨架上漆包线绕线外径(mm)。

将公式(9)代入电磁力计算公式(8),得出电磁力与温度的计算公式:

式中:U为工作电压(v):d为漆包线线径(mm):μ0为气隙磁导率,取4m×10-7H/m:s0为气隙面积(mm2):7为线圈温度(℃):D1为线圈骨架上漆包线绕线轴径(mm):D2为线圈骨架上漆包线绕线外径(mm):6为气隙长度(mm)。

2.4开阀压力差计算

电磁阀设计需要在不同温度下均能满足克服压力差,达到正常开阀的要求,因此电磁阀的开阀压力差等同于开阀能力。开阀需要克服复位弹簧力Fs和作用在动铁芯上的压差力Fp,压差力Fp为动铁芯阀口尺寸do大小和阀口上下压力差p的乘积,电磁力和开阀压力差公式转换如下:

式中:Fs为复位弹簧力(N):Fp为压差力(N):do为阀口直径(mm):p为开阀压力差(MPa)。

3计算示例

计算示例电磁阀参数如表1所示,分别计算温度在0~120℃区间范围变化时,磁动势、电磁力和开阀压力差的具体数据,并以常温2o℃和高温12o℃两个典型温度点为例进行数据分析。

当温度在o~12o℃区间变化时,磁动势变化如图2所示,在常温2o℃时磁动势约为691At,当温度升高至120℃时,磁动势降低至496At,计算衰减幅度为28%。

当温度在0~120C区间变化时,电磁力变化如图3所示,在常温20℃时电磁力约为8.5N,当温度升高至120℃时,电磁力降低至4.4N,计算衰减幅度为48%。

当温度在o~120℃区间变化时,开阀压力差变化如图4所示,20℃时阀的开阀压力差p为3.7MPa,当温度升高至120℃时,开阀压力差降低至1.4MPa,计算衰减幅度为62%。

根据上述计算,磁动势、电磁力和开阀压力差在温度升高时均有大幅下降,当温度升高至12o℃时开阀压力差已经低于设计要求,有两种解决方案:

方案1:降低适配的阀口尺寸。当阀口尺寸do=1.5mm时,阀在12o℃条件下的开阀压力差为1.4MPa:当阀口尺寸do降低至1mm时,阀在120℃条件下开阀压力差达3.1MPa,在全温度范围内均能满足大于2MPa的开阀压力差要求,计算结果如图5所示。

方案2:提升线圈驱动电压。当工作电压U=12V时,阀在120℃条件下的开阀压力差为1.4MPa:当工作电压U增加至14V时,阀在120℃条件下的开阀压力差为2.1MPa,在全温度范围内均能满足大于2MPa的开阀压力差要求,如图6所示。

当采用增加电压的方案进行开阀压力差提升时,最好适配温度传感监控,在温度达到一定范围时增加电压,避免全行程增加电压,从而增加能耗。

4结语

本文基于磁动势、电磁力、绕组电阻率计算公式,分析了温度对线圈的磁动势以及电磁阀的电磁力和开阀压力差的影响,以典型的常温20C和高温120C为示例进行计算,磁动势衰减28%,电磁力衰减48%,开阀压力差衰减62%。尽管常温条件下开阀压力差适配甚至有冗余,但为确保产品可靠性,需要在全温度运行范围内开阀压力差均能达到大于2MPa的标准,因温升导致的开阀能力衰减,可以通过适配合适的阀口尺寸或增加电压的方案,确保全温度范围内驱动能力达标。