第８期 ２０１０年８月 文章编号：１００１—３９９７（２０１０）０８～００９１－０３ 机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ９１ 涡轮增压器用电液比例阀电磁铁的研究冰 张宜华屈盛官宋现锋李小强夏伟 （华南理工大学机械与汽车工程学院，广州５ １０６４０） Ｒｅａｓｅｒｃｈ ｏｎ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍａｇｎｅｔ ｏｆ ｅＩｅｃｔｒＯ—ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｖａｌｖｅ ｆｏｒ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ ＺＨＡＮＧ Ｙｉ—ｈｕａ，ＱＵ Ｓｈｅｎｇ－ｇｕａｎ，ＳＯＮＧ Ｘｉａｎ—ｆｅｎｇ，ＬＩ Ｘｉａｏ—ｑｉａｎｇ，ＸＩＡ Ｗｅｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ） 【摘要】依据涡轮增压器用电液比例阀对比例电磁铁提出的参数指标，进行了主要包括衔铁直径、５ ６线圈导线直径、线圈匝数和线圈宽度的初步设计计算，通过电磁吸力以及线圈温升的复算验证了初步设２ ２计参数的合理性；接着对比例电磁铁的其他结构参数进行了设计，其中复位弹簧设计是个关键；最后从理 Ａ Ｖ 论上对比例电磁铁的位移一力特性以及电流一力斗寺Ｉ陛进行了分析；为后续的整个电液比例阀的研制解打 ６下了基础。 ２ 关键词：比例电磁铁；初步计算；复算；复位弹簧 Ｑ 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｒ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍａｇｎｅｔ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒ￣一６ ６ ｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｖａｌｖｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ，ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｍａｔｕｒｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ２ ｃｏｉｌ ｗｉｒｅ，ｃｏｉｌ ｔｕｒｎｓ ａｎｄ ｃｏｉｌ ｗｉｄｔｈ ｗｅｒｅ ｄｏｎｅ，ａｎｄ ｒｔｉａｏｎａｌｉｔｙ ｏｆｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ Ｗａｓ ｖｅｒｉｉｅｄ ｆｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｃａｌｃｕｌｔａｉｏｎ ｆ ｏｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｌａ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｃｏｉｌ ｔｅｍｐｅｒｔａｕｒｅ－ｒｉｓｅ．Ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙ ｔｈｅ ｒｅｓｔ ６ ６ ｓｔｒｕｃｔｕｒｌａ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｐｒｏｏｐｏｒｔｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍａｎｅｔｇ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｎｅｄ，ｇｉｎ ｗｈｉｃｈ ｄｅｓｉｎ ｇｆ ｏｒｅｓｅｔ ｓｐｒｉｎｇ Ｗａｓ ａ ｋｅｙ ２ ２ ｐｏｉｎｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆｆｏｒｃｅ ｗｉｔｈ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄｆｏｒｃｅ ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉ ａｂｓｔｒａｃｔ．Ａｎｄ ｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｖａｌｖｅ ｗａｓ ６ ６ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． ２ ＾ ２ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍａｇｎｅｔ；Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｄｅｓｉｇｎ；Ｄｏｕｂｌｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；Ｒｅｓｅｔ ｓｐｒｉｎｇ ●＜＞●＜＞●◇●・：：０ ●＜＞●◇●＜＞●＜＞●◇●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●◇●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●◇●＜＞● ＜＞●’＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●‘（＞●＜＞● ●＜＞●＜＞●（＞●＜＞●＜＞●－（＞●◇中图分类号：ＴＨ１６，ＴＨＩ３７．５文献标识码：Ａ １引言 比例电磁铁是电液比例控制元件中广泛应用的电一机械转换 器件。所研究的比例电磁铁用于涡轮增压器用电液比例阀上，该 比例阀是可变喷嘴环截面涡轮增压器控制机构的核心部件，其结 构，如图１所示。 比例电磁铁 同时，凸轮的转动使得其对反馈弹簧压缩量减少，直到四个油口 都不相通，也就对应一个确定的叶片角度＿１＿。 ２比例电磁铁设计 所研究的比例电磁铁，如图２所示。与一般比例电磁铁不同 的是：一般单向比例电磁铁产生的电磁力通过推杆导出并驱动阀 芯运动，而研究的比例电磁铁产生的电磁力则是通过推杆导出并 压缩复位弹簧。依据涡轮增压器用电液比例阀的工作原理以及项 目要求的指标，确定比例电磁铁的原始参数如下： （１）电压ｕ（Ｖ）：２４Ｖ；（２）额定电流Ｉ（Ａ）：２Ａ；（３）额定吸力Ｆ （Ｎ）：６０Ｎ；（４）额定】：作行程６（ｍｍ）：３ｒａｍ。 图１电液比例阀结构图 １．密封圈２．衔铁３．导向套４．隔磁环５．推杆６弹簧压盖 ７．复位弹簧８．复位弹簧座９线圈１０．端盖１ １．壳体１２．接线头 其工作原理是：给定一个电流，比例电磁铁产生对应的电磁 力，通过推杆导出并压缩复位弹簧，阀芯在反馈弹簧的作用下与 衔铁直接紧凑相连，并随衔铁做同步运动，产生对应的阀口开度， 液压油通过阀口驱动其它的机构（包括液压缸、齿条齿轮机构、凸 轮等，图１中未画出）来调节涡轮增压器喷嘴环Ｉ１ｆ片的角度；与此 女来稿日期：２００９—１０—０７ 女基金项目：广东省自然科学基金项目（０７３００５７８） 图２比例电磁铁结构图 张宜华等：涡轮增压器用电液比例阀电磁铁的研究 第８期 ２＿１初步计算 ２．１．１结构因素 ‰： ０ 分别计算得８０℃时的电阻Ｒ＝９．６Ｑ，１６０￣Ｃ时的电阻Ｒ＝Ｉ １．９。 ２．１．５确定线圈的宽度 （１） 由发热方程口： ：＿Ⅲ 式中： 一初始行程下的电磁吸力，考虑漏磁的影响增加额定吸 力的３０％， ＝６０（１＋３０％）＝７８Ｎ； —一 ｍ２（Ｄ 一 ） 兰 （６） 、 式中：Ｐ—接通时间的百分比，根据电磁铁在涡轮增压器中实际 有效初始行程， ＝６＝０．３ｃｍ。 工况取Ｐ：０－２； 一线圈在１６０￣Ｃ时的导线电阻率， ＝２．６９６ｘ １０￣ｍ；Ｋ ｊ圈的散热系数，取Ｐ ＝１３Ｗ／ｍ￣ 圈的填 充系数，初选 ＝ ５； 戡圈宽度；７＿—线圈允许温升，ｒ＝＿８０￣Ｃ。 则磁．＝９．４，查表得气隙磁感应强度 ＝７５００Ｇｓ ２．１．２确定衔铁直径 ： ｌＪ ｈｍ＝ 、／ （２） ￣式中： 一额定吸力，Ｆ＝６０Ｎ； 一气隙磁感应强度， ＝７５００Ｇ ２０、／ 、／砉 ＝ｓ ｍｍ 则如＝１９．１ｍｍ 设计中取线圈宽度为 ＝３２ｒａｍ。 按理论磁势方程计算出的磁感应强度比实际的磁感应强度 ２．２复算 小，理论上 ＝７５００Ｇｓ，实际上可达１００００Ｇｓ以上，取 ＝ ２．２．１导线电流密度 １２０００Ｇ 计算，修正上式中的磁感应强度数值重新计算得衔铁直 径 ＝１１．９ｍｍ。 户 孚 ２ 。。２～ 由电流力增益方程： 由于衔铁上要开导油孔以及推杆所占面积的影响，并考虑到 ２．２．２电磁吸力 衔铁属圆柱形回转件，取ｄｚ＝１２ｍｍ。衔铁上开导油孑Ｌ能让导套中 的衔铁处于静压平衡状态，改善比例电磁铁的动态特性。 ２．１．３确定线圈的安匝数 由磁势方程： １Ｎ＝１．０６Ｂ，ｕ６Ｉ （３） 糍 式中：Ｋ 一比例电磁铁的电流力增益； —（８） 等效漏磁系数， ＝０．２４￣０．３３ｘ１０ ，由于有效工作行程 式中：占 一衔铁有效工作行程加推杆台肩宽度，取６ ：３＋ｌ＝４ｍｍ； 较大，为３ｍｍ，可取ｇｆ＝０．３ｘ１０￣； Ｋ 一结构参数，取 ＝３．５； ｔ，一气隙系数， 在５～１３时，ｖ＝０．２５～０．３５，计算中取ｖ＝０．３４； —气隙磁感应强度，Ｂ ＝７５００Ｇ 。 空气导磁率； ＩＮ＝Ｉ．０６ｘ７５００ｘ０．３４ｘ０．４＝１０９０安匝 取 １．２５７￣１０ Ｈ／ｍ Ａ 一导磁面积； ： ２．１＿４确定导线直径、匝数、电阻 由电压方程推出： （ 一 ２一ｄ２） 。吐：、／ 式中：，Ⅳ一线圈的安匝数，／Ｎ＝１０９０安匝； —（４） ｄ０＝２ｍｍ ｄ —衔铁上的导油孔直径，为防止液压油阻尼太大而影响动 态特陛，在保证吸力的情况下，取ｄ．＝３ｍｍ。 线圈在ｌ６０℃时导线的电阻率，取ｐ ２．６９６ｘ１０￣ｍ； 一同心螺线管式控制线圈的内径，考虑结构方面的因素， 代人各参数数值 ＝见图２，取ｄ ＝１８ｍｍ； —一刚 ｔ．ｔｏＮＡ￣２Ｋ一 ＫＫ ／２ｘ０ ３ｘｌ０－３ｘ３ ５ ． ． ＝３４．５Ｎ／Ａ‘ 控制线圈的外径，设计中初步选取。 ：ｏ．５６，即 ＝３２ｍｒ￣ 实际额定吸力 ＦＮ＝Ｋ ｌ 一ｌ ９） ／Ｚ：控制电压，ｕ＝２４Ｖ 式中：厶—起始电流，约为额定电流的４％～７％，取为７％的额定电 流； 一额定电流， ＝２Ａ 代入计算： ＝、／ ± ： 丽 ２４ｘ ０．３ ５５２ ＿（）．３５ｍｍ 了＝ｌ ｌ２ｌ安匝 则有Ｆ，＝３４．５ｘ２ｘ（１－７％）＝６４Ｎ 额定吸力时的磁感应强度 取导线标准直径 ＝０．３５５ｍｍ。 实际安匝数： 肚 肚、／ ：、／ 器 ２．２－３线圈的计算 根据热量平衡方程： ａＦＲ＝ＫｚＳ￣＂ ２５ｒ．１２５００Ｇｓ（１０） （１１） 按额定电流Ｉ＝２Ａ，则取整后的线圈匝数为Ｎ＝５６０匝。 由电阻方程：Ｒ： ｑ （５） 式中： 一线圈得失电的占空比。根据项目设计要求，比例电磁铁 其中，ｐｘ＝２．１７５×ｌ０ ｎｍ（８０℃） Ｐ ＝２．６９６￣１０－８Ｏｒｅ（１６Ｏ℃） 绝大部分时间都处于失电工况，计算中可取占空比Ｏ／＝０．２ Ｋ 一线圈的散热系数， 取 ＝１３Ｗ／ｍ。℃ 导线截面积 Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１０ ｒ—线圈的温升 ５一散热面积，即 Ｓ：盯Ｄ ｈ ＋＇ｒｒｄ ｈ ＋２（＇ＩｖＯｏ￣－￣ｄｏ，２） 机械设计与制造 ９３ ２．３．４复位弹簧的设计计算 在图１中，研制的电液比例阀阀芯受到稳态液动力、复位弹 （１２） 簧力、反馈弹簧力、电磁力、摩擦力和瞬态液动力等的作用而平 ＝盯（０．０３２￣０．０３２＋０．０１８ｘＯ．０３２＋２ｘ０．０３２２－２￣０．０１８ ）＝０．００９４２ｍ 衡。弹簧是线性元件，其弹力与压缩量成正比。它装在阀中，要求 的影响 。由于阀芯为小通径且控制的流量较小，故瞬态液动力与 摩擦力比较小（通常不足１Ｎ），所以阀芯主要受到复位弹簧力、电 磁力、稳态液动力和反馈弹簧力的作用。 不管液流方向如何，轴向稳态液动力总是力图使阀口关闭， 线圈的电阻Ｒ随温度而变。由于比例电磁铁在使用过程中 有一定的预压缩量，以克服稳态液动力、瞬态液动力以及摩擦力 是由电流信号驱动的，当电阻值上升时电压上升。 将１６０％时的电阻值Ｒ＝１ １．９１１代入式（１ １） ０．２ｘ２Ｚｘ１１．９ ＝ １ ３ｘ０．００９４２ ＝７７．７ｃｃ 因此，研究的比例电磁铁能够满足常用温度（５０～８ｏ）￣ｃ，最高 极限温升８Ｏｏｃ的设计要求。 ２．３结构设计 ２－３．１导向套计算 由导向套外径计算公式： ｒ—————————＿Ⅲ———— ＝Ｖ（１＋Ｋ） ＋ （１３） 式中：ｄ 一导向套内径，由于衔铁直径ｄｚ＝１２ｍｍ，可取导向套内径 ＝１２．４ｍｍ； —衔铁的内孔直径，ｄ０＝２ｍｍ；Ｋ—分配比，影 响端面力和附加轴向力的变化，取Ｋ＝０．６５。 经计算， Ｄｄ＝ｘ／（１＋０．６５）ｘ１２．４２＋０．６５ｘ２ ＝１６ｍｍ 根据设计要求，电磁铁工作时的油压为（０．１５～０．６）ＭＰａ，该压 力值很小，故不需要对导向套进行强度校核。 ２．３－２隔磁环计算 导向套中隔磁环外形选用直角梯形，材料为非导磁材料，如 铜、锌等。单边厚度与导向套的单边厚度一致，即为 （Ｄ 一ｄ『１）： １＿８ｒａｍ。 计算隔磁环的工作角度 ： …ｔａ－ｎ ＝ａｒｃｔａｎ ＝３１。 （ ４） 隔磁环的宽度Ｃ主要影响主磁通和漏磁通的比例，一般为 （０．３～１） ，宽度Ｃ取大值可以扩展比例电磁铁位移一力特性的水 平段，此处取Ｃ－－－￣＝３ｍｍ。 ２．３＿３衔铁长度 先考虑初始位置时，衔铁伸进线圈的长度１ 。因Ｚ１＝（０．３～０．６） ｈ 时，比例电磁铁易于产生水平的位移一力特性，同时衔铁的质 量对比例电磁铁的动态响应有明显的影响，为提高动态响应，可 以适当减小衔铁的质量，所以本设计中取ｚ。＝０．４ ＝０．４ｘ３２＝ １２．８ｍ，取整有ｌｌ＝１２ｍｍ；考虑到比例电磁铁的有效工作行程是 ３ｒａｍ，同时衔铁在线圈内腔运动过程中，存在工作气隙接近零输 出力急剧上升的区段，即吸合区（在结构上用推杆的台肩将其排 除），因此衔铁伸进线圈的有效长度是减去这两部分后的长度，即 １１＝１２—３一ｌ＝８ｍｍ。 考虑到比例电磁铁衔铁和控制阀芯直接相连的设计（见图 １），衔铁在初始位置时位于线圈外部的长度ｚ 一方面要与阀芯直 接相连并驱动阀芯，同时还要保证一定长度的ｆ 满足比例电磁铁 与阀芯阀套的安装要求，设计中取： ／２＝÷Ｄｄ一－ Ａ ｘｌ６＝１２ｍｍ 则比例电磁铁衔铁总长：，Ｊ＝ｚ１＋ｚ２＝８＋１２＝２０ｒａｍ 因而增大了驱动阀芯所需的力。当阀口开度最大时，为了保证电 磁铁的最小功率（电流为零），复位弹簧力要单独克服阀的稳态液 动力，即复位弹簧的预压力要稍大于阀的最大稳态液动力。对于 研制的零遮盖四通比例阀，其稳态液动力计算公式为 ２ ＧＷＸ （Ｐｓ—Ｐｔ）ｃｏｓ０￣０．４３Ｗ（Ｐｓ— （１５） 式中： 一稳态液动力； 一流量系数，取ｃ ＝０．６１；Ｃ一液流通过 阀口的速度系数，取Ｇ＝０．９８； ～油源压力； 一负载压力； ｐ一射流角，取０＝６９。； 一阀芯位移；Ｗ一阀口面积梯度， Ｗ＝＇ｒｒｄ，ｄ为阀芯直径。 当 ＝Ｏ、 ＝０．６ＭＰａ、Ｘ ＝Ｘｖ，￣＝３ｍｍ时，得到最大稳态液动力 ＝一０．４３ｘ＇ｒｒｘｌ １．１ｘ０．６ｘ３＝２７Ｎ （１６） ３静特性分析与计算 ３．１位移一力特性 ＝ ，一 ） （１７） 由于复位弹簧的作用，则有： ＦＭ＝Ｋｍｒ（ 。）＝ ＋Ｋ１（ ＿ｙ０） （１８） 即 ＝ Ｉ－Ｉｏ）一Ｋ。（ 十ｙｏ） 式中：ｙ一衔铁行程，ａｒｍ； Ｙｏ—初始位置时复位弹簧的预压缩量，ｙｏ＝４．３７５ｍｍ； 电磁铁实际输出力。 则 ＝３４．５ｘ（１－０．１４）一６．４ｘ（ｙ＋４．３７５）＝３４．５，＿６．４ ３２．８３ ３－２电流一力特性 实际输出力 ＝３４．５ｘ（１－０．１４）一６．４ｘ（ｙ＋４．３７５）＝３４．５，＿６．４ｙ＿３２．８３ 这里是理论计算，不计衔铁的摩擦力以及其它阻力，即从起 始电流开始计算而不是启动电流开始。 ４结束语 研究的比例电磁铁与一般比例电磁铁有所不同，初步设计、 复算、结构设计以及理论静特性分析是研究的基础，在后续的实 验研究中证明了比例电磁铁设计参数基本合理，解决了项目所需 研制的涡轮增压器用电液比例阀的电一机械转换关键部件问题， 并且为该类比例电磁铁用于其它液压元器件中提供了设计参考。 参考文献 １ Ｓｔｅｖｅｎ Ａｒｎｏｌｄ．Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ Ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ［Ｐ］．Ａｍｅｒｉｃａｎ：ＰＣＴ／ＵＳ００／ ０６５１２，２００１ ２颜凌云．耐高压比例电磁铁的设计［Ｊ］．工程机械，１９９５（１）：１３～１７ ３张冠中等．电磁铁和自动电气元件［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８２ ４汪国盛，凌云．电液比例阀的设计与实验研究［Ｊ］．流体力学实验与测量， ２００４．１８（１）：４８～５２
