电磁阀启闭特性非接触测量方法研究

2011-03-14封锡凯

火箭推进 2011年3期

封锡凯，李伟，李辉

（西安航天动力研究所，陕西西安710100）

0 引言

航天推进系统中电磁阀主要用于推进剂控制单元，在出厂前需对其进行性能测试。从测试方法上，一直沿用“电流曲线法”来判断电磁阀的吸合释放时间，从而确定电磁阀的性能。所谓的“电流曲线法”即用一个取样电阻串入电磁阀线圈回路中，通电使电磁阀动作，测量电阻两端的电压变化，描述出电流波形。电磁阀的测试无论是采取电流曲线法还是利用气、液路的通断来判断，均受环境条件的限制，必须采用非接触式的检测方法。研究了一种高灵敏度磁敏感器，后续配以必要的变换电路，实现了电磁阀启、闭特性的非接触测量，并通过了试验验证。

1 电磁阀工作原理及工作过程的磁场变化

1.1 电磁阀工作原理

电磁阀主要由固定铁芯、衔铁、线圈、弹簧等零部件组成。通电时，线圈产生电磁力，带动衔铁克服弹簧反作用力运动，阀门打开；断电时，线圈电磁力消失，弹簧推动衔铁返回原位置，阀门关闭。某电磁阀内部结构如图1所示。

图1 电磁阀结构示意图Fig.1 Structure of solenoid valve

1.2 电磁阀启、闭过程的磁场变化

电磁阀在开启、关闭过程中会产生瞬变电磁场；电磁阀铁心完全吸合后，进入磁饱和状态，磁场保持恒定。由于电磁阀壳体采用导磁材料，磁力线大部分将通过壳体构成闭环回路，但衔铁与壳体间工作气隙的存在或阀壁厚度的不均匀，一部分磁力线在电磁阀周围产生一定量的磁场，即所谓漏磁。利用对漏磁场的检测即可完成对电磁阀通电和断电特性的检测。

2 新型磁敏感器设计

利用磁敏感器对电磁阀的测试，就是测量当电磁阀内部电流变化引起的周围磁场的变化。磁敏感器测出的磁场变化波形即反映了电磁阀内部的电流特性。所设计的磁敏感器结构示意图如图2所示。

图2 磁敏感器结构示意图Fig.2 Schematic of magnetic-sensor

磁敏感器主要由线圈、线圈骨架和壳体构成，线圈骨架为高磁导率软磁合金。同电流类似，磁力线总是走磁阻最小（磁导率最大）的路径。电磁阀动作时，漏磁场被磁敏感器捕获，经线圈骨架的“集束”作用通过线圈内部。

由电磁感应原理

而

式中：eL为线圈感应电动势；N为线圈匝数；Φx为电磁阀漏磁场；t为时间；iv为电磁阀线圈中的电流。这样，磁敏感器产生一电压信号，而且与电磁阀线圈电流成正比。经后续电路处理即可完成对电磁阀启、闭特性的非接触测量。

3 试验及测试结果

对某电磁阀进行试验，分别利用电流曲线法和磁敏感器进行检测，试验曲线如图3所示。

从图中波形可分析出电磁阀内衔铁的运动情况，两种测试结果符合性较好。

电磁阀通电时（A点），波形的前沿反映衔铁被吸合的过程；当电磁铁线圈电流大到使衔铁开始动作时，线圈电感增加，反电动势增加，阻止电流继续上升；直到衔铁完全吸合（B点），衔铁在达到吸合位置后停止运动，衔铁运动引起的反电动势消失，线圈电流又继续按指数曲线的规律上升至额定值，而磁敏感器产生的电压信号因磁饱和而衰减至零。电磁阀的断电过程是上述过程的逆过程，同样会产生波形跳变。

图3 某型号电磁阀启、闭特性测试曲线Fig.3 On-off characteristics of a certain solenoid valve

上述测试结果可准确反映电磁阀的性能。电磁阀的吸合时间ton定义为从电磁阀开始通电到衔铁完全吸合为止的时间tAB；释放时间toff定义为从电磁阀开始断电到衔铁完全复位的时间tCD。由测试曲线可准确判读电磁阀的启、闭特性，从而判断电磁阀工作是否正常。如图4所示波形，是人为将电磁阀的电源电压往高拉偏时的现象。这时测量曲线中的上升沿出现两次跳变，这是由于线圈电流过大，产生的电磁力过大，导致衔铁动作发生小的反弹造成的。