新型節(jié)能電磁換向閥的動態(tài)分析

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

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

　　動態(tài)響應(yīng)特性是電磁換向閥設(shè)計的關(guān)鍵,其中動態(tài)響應(yīng)時間尤為重要. 目前,在很多場合下,換向閥的換向時間是整個系統(tǒng)提高快速性的障礙,因而要求不斷提高電磁換向閥的響應(yīng)速度.

　　本文通過動態(tài)特性仿真及參數(shù)變化與動態(tài)響應(yīng)時間之間關(guān)系的分析,提出了提高所設(shè)計的電磁換向閥響應(yīng)速度的方法.

1、結(jié)構(gòu)及工作原理

　　真空技術(shù)網(wǎng)前文中所提出的新型節(jié)能電磁換向閥為采用極化電磁機構(gòu)控制的直動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(tǒng)電磁換向閥的閥體部分,僅對電磁鐵部分加以改進,電磁鐵的結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 　電磁鐵結(jié)構(gòu)

　　當給電磁鐵施加一正脈沖或負脈沖電壓時,電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生向右或向左的驅(qū)動力,從而換向閥實現(xiàn)換向. 當線圈不通電時,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(xù)工作,從而實現(xiàn)了節(jié)能的目的.

2、數(shù)學模型

　　由于所設(shè)計電磁換向閥著重于電磁鐵部分的改進,因而動態(tài)計算針對電磁鐵系統(tǒng)進行,閥體部分看作是電磁鐵的負載. 電磁鐵的動態(tài)數(shù)學模型包括動態(tài)微分方程及磁路方程兩部分,其中動態(tài)微分方程如下式(式中忽略渦流影響) :

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

　　在動態(tài)微分方程求解的每一步均需調(diào)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(shè)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(jié)構(gòu),因而磁路方程需用拓撲網(wǎng)絡(luò)法進行求解. 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 ×L 階矩陣,L為回路數(shù),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].