新型节能电磁换向阀的动态分析

　　电磁换向阀的动态特性分析是电磁换向阀设计的关键,为明确各设计参数对新型节能电磁换向阀性能的影响,首先给出了新型节能电磁换向阀的数学模型,采用拓扑网络法,通过求解电磁机构的动态微分方程, 对该阀进行了动态特性仿真,并分析了磁钢厚度、磁钢截面积、线圈匝数和线圈电阻四参数变化对阀动态特性的影响,同时通过试验结果验证了数学模型及仿真方法的正确性,从而提出了通过减小磁钢截面积,增大激磁线圈匝数,减小激磁线圈电阻或合理选择磁钢厚度来提高电磁换向阀的动态特性的方法。

　　传统的电磁换向阀具有在工作过程中必须始终通电才能保持正常工作的缺点,因而浪费了能源. 为克服传统电磁换向阀的上述缺点,作者在文献中提出了一种新型节能的电磁换向阀,并对其进行了模型试验. 该阀由脉冲信号操作,可在电磁铁断电的情况下继续工作,因而可节约能源.

　　动态响应特性是电磁换向阀设计的关键,其中动态响应时间尤为重要. 目前,在很多场合下,换向阀的换向时间是整个系统提高快速性的障碍,因而要求不断提高电磁换向阀的响应速度.

　　本文通过动态特性仿真及参数变化与动态响应时间之间关系的分析,提出了提高所设计的电磁换向阀响应速度的方法.

1、结构及工作原理

　　真空技术网前文中所提出的新型节能电磁换向阀为采用极化电磁机构控制的直动型两位四通电磁换向阀,为保证通用性,阀体部分仍采用传统电磁换向阀的阀体部分,仅对电磁铁部分加以改进,电磁铁的结构如图1 所示.

图1 　电磁铁结构

　　当给电磁铁施加一正脉冲或负脉冲电压时,电磁铁内产生向右或向左的驱动力,从而换向阀实现换向. 当线圈不通电时,电磁铁则在永久磁铁的作用下,保持在左端或右端的某一位置,因而当电磁铁断电后,换向阀仍可继续工作,从而实现了节能的目的.

2、数学模型

　　由于所设计电磁换向阀着重于电磁铁部分的改进,因而动态计算针对电磁铁系统进行,阀体部分看作是电磁铁的负载. 电磁铁的动态数学模型包括动态微分方程及磁路方程两部分,其中动态微分方程如下式(式中忽略涡流影响) :

　　式中, U 为线圈励磁电压; R 为线圈电阻; i 、Ψ 分别为线圈电流和电磁系统全磁链; m 为电磁系统运动部件归算为铁心极面中心的质量; x 为电磁系统运动部件归算为铁心极面中心的位移,运动部件包括阀芯及衔铁两部分; Fx 、Ff 相应为折算到铁心极面中心处动态吸力和运动反力,其中运动反力Fx 包括阀芯所受的液动力、液压卡紧力以及粘性摩擦力.

　　在动态微分方程求解的每一步均需调用求解磁路方程的子程序及电磁力负载反力等子程序,本文所设计电磁铁为永磁与电磁相互作用的极化电磁铁,磁路为多网孔结构,因而磁路方程需用拓扑网络法进行求解. 若忽略漏磁,但计及铁心磁阻,则磁路可等效为如图2 所示的拓扑网络图,磁路方程

　　式中, [RL]为回路磁阻矩阵,为L ×L 阶矩阵,L为回路数,按图2 ,L=3 ,

图2 　等效拓扑网络图

　　由上式可求解[φL] ,从而解得各支路磁通向量[φb].