新型節能電磁換向閥的動(dòng)態(tài)分析

　　電磁換向閥的動(dòng)態(tài)特性分析是電磁換向閥設計的關(guān)鍵,為明確各設計參數對新型節能電磁換向閥性能的影響,首先給出了新型節能電磁換向閥的數學(xué)模型,采用拓撲網(wǎng)絡(luò )法,通過(guò)求解電磁機構的動(dòng)態(tài)微分方程, 對該閥進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性仿真,并分析了磁鋼厚度、磁鋼截面積、線(xiàn)圈匝數和線(xiàn)圈電阻四參數變化對閥動(dòng)態(tài)特性的影響,同時(shí)通過(guò)試驗結果驗證了數學(xué)模型及仿真方法的正確性,從而提出了通過(guò)減小磁鋼截面積,增大激磁線(xiàn)圈匝數,減小激磁線(xiàn)圈電阻或合理選擇磁鋼厚度來(lái)提高電磁換向閥的動(dòng)態(tài)特性的方法。

　　傳統的電磁換向閥具有在工作過(guò)程中必須始終通電才能保持正常工作的缺點(diǎn),因而浪費了能源. 為克服傳統電磁換向閥的上述缺點(diǎn),作者在文獻中提出了一種新型節能的電磁換向閥,并對其進(jìn)行了模型試驗. 該閥由脈沖信號操作,可在電磁鐵斷電的情況下繼續工作,因而可節約能源.

　　動(dòng)態(tài)響應特性是電磁換向閥設計的關(guān)鍵,其中動(dòng)態(tài)響應時(shí)間尤為重要. 目前,在很多場(chǎng)合下,換向閥的換向時(shí)間是整個(gè)系統提高快速性的障礙,因而要求不斷提高電磁換向閥的響應速度.

　　本文通過(guò)動(dòng)態(tài)特性仿真及參數變化與動(dòng)態(tài)響應時(shí)間之間關(guān)系的分析,提出了提高所設計的電磁換向閥響應速度的方法.

1、結構及工作原理

　　真空技術(shù)網(wǎng)前文中所提出的新型節能電磁換向閥為采用極化電磁機構控制的直動(dòng)型兩位四通電磁換向閥,為保證通用性,閥體部分仍采用傳統電磁換向閥的閥體部分,僅對電磁鐵部分加以改進(jìn),電磁鐵的結構如圖1 所示.

圖1 　電磁鐵結構

　　當給電磁鐵施加一正脈沖或負脈沖電壓時(shí),電磁鐵內產(chǎn)生向右或向左的驅動(dòng)力,從而換向閥實(shí)現換向. 當線(xiàn)圈不通電時(shí),電磁鐵則在永久磁鐵的作用下,保持在左端或右端的某一位置,因而當電磁鐵斷電后,換向閥仍可繼續工作,從而實(shí)現了節能的目的.

2、數學(xué)模型

　　由于所設計電磁換向閥著(zhù)重于電磁鐵部分的改進(jìn),因而動(dòng)態(tài)計算針對電磁鐵系統進(jìn)行,閥體部分看作是電磁鐵的負載. 電磁鐵的動(dòng)態(tài)數學(xué)模型包括動(dòng)態(tài)微分方程及磁路方程兩部分,其中動(dòng)態(tài)微分方程如下式(式中忽略渦流影響) :

　　式中, U 為線(xiàn)圈勵磁電壓; R 為線(xiàn)圈電阻; i 、Ψ 分別為線(xiàn)圈電流和電磁系統全磁鏈; m 為電磁系統運動(dòng)部件歸算為鐵心極面中心的質(zhì)量; x 為電磁系統運動(dòng)部件歸算為鐵心極面中心的位移,運動(dòng)部件包括閥芯及銜鐵兩部分; Fx 、Ff 相應為折算到鐵心極面中心處動(dòng)態(tài)吸力和運動(dòng)反力,其中運動(dòng)反力Fx 包括閥芯所受的液動(dòng)力、液壓卡緊力以及粘性摩擦力.

　　在動(dòng)態(tài)微分方程求解的每一步均需調用求解磁路方程的子程序及電磁力負載反力等子程序,本文所設計電磁鐵為永磁與電磁相互作用的極化電磁鐵,磁路為多網(wǎng)孔結構,因而磁路方程需用拓撲網(wǎng)絡(luò )法進(jìn)行求解. 若忽略漏磁,但計及鐵心磁阻,則磁路可等效為如圖2 所示的拓撲網(wǎng)絡(luò )圖,磁路方程

　　式中, [RL]為回路磁阻矩陣,為L(cháng) ×L 階矩陣,L為回路數,按圖2 ,L=3 ,

圖2 　等效拓撲網(wǎng)絡(luò )圖

　　由上式可求解[φL] ,從而解得各支路磁通向量[φb].