电磁调节阀结构参数的确定

苏乾益，赵 雪，吴 薇

1 前言

普通的电磁阀只有开、关2种工作状态，没有调节流量的功能，因此普通的电磁阀在设计及制造方面也就相对容易实现，而且普通的电磁阀理论研究方面也相对的成熟。然而电磁调节阀不同于普通的电磁阀，电磁调节阀具有调节和控制气体流量的功能，它具有阀全开、阀关闭和阀控3种工作状态。所谓阀全开就是阀的最大开启量；阀关闭就是在所允许的工作压力情况下，能够关闭阀口；阀控就是由电磁调节阀的输入电压控制阀口的开启量，从而实现对流量的调节和控制。利用电磁调节阀来控制流量，易于实现流量控制的自动化，因此它被广泛应用于流量控制的仪器设备。

影响电磁调节阀调节和控制气体流量的因素有很多，如：阀口的孔径、磁间隙以及线圈等结构参数，如果这些结构参数选取不当，电磁调节阀就不能正常工作。在装配电磁调节阀时，常常会遇到这样的问题，例如阀口的孔径和磁间隙的选值问题。现有的做法是根据生产经验来选取阀口和磁间隙再进行装配。但是，对于一些特殊的工况，如：特殊气体或特殊的压力等，由于缺乏理论指导和相应的生产经验，只能是反复多次装配、调整，这样生产效率低下，而且这样通过反复装配、调试出来的阀，其工作可靠性也难以得到保证。还有，目前关于电磁调节阀的理论研究方面的文件较少，尚无系统地介绍如何选择适合电磁调节阀的结构参数的文章。因此，很有必要对电磁调节阀进行深入地研究，找出电磁调节阀的结构参数的确定方法，从而为提高电磁调节阀的生产效率，改善电磁调节阀性能和研制新型电磁调节阀等方面提供理论指导。

2 结构参数的确定

2.1 电磁调节阀的结构及工作原理

电磁调节阀主要由线圈、阀芯、弹簧垫片和阀口密封垫等组成。电磁调节阀工作原理为：当电磁调节阀没有电压输入时，电磁调节阀所处的状态如图1（a）所示；当给电磁调节阀输入电压V时，阀芯在电磁吸力的作用下向上移动一定的位移y后，处于受力平衡的静止状态，如图1（b）所示；随着电磁调节阀输入电压V的增大，阀芯向上移动的位移y也将增大。假设给电磁调节阀输入电压V，那么阀芯将从如图1（a）所示的位置，向上移动一定的位移y如图1（b）所示，在这过程中就需要电磁吸力来克服因弹簧片变形y所产生的拉力。

图1 电磁调节阀的原理

弹簧片变形y所产生的拉力：

式中 FK（y）——弹簧片变形所产生的拉力，N

k ——弹簧片的刚度，N/mm

y —— 阀芯向上移动的位移，mm，见图1（b）所示

根据计算电磁吸力的相关资料［1～4］，得到：

式中 F（y，I）—— 当线圈电流为 I时，阀芯上移至y处所受到的电磁吸力，N

μ0——真空磁导率，N/A2，μ0=4π×10-7N/A2

S ——阀芯面积，mm2

L—— 初始状态的磁隙，mm，见图1（a）所示

I ——线圈电流，A

N ——线圈圈数，圈

其中

式中 V ——电磁调节阀的输入电压，V

R ——线圈的电阻，Ω

那么，式（2）可改写成：

式中 F（y，V）—— 当线圈的电压为V时，阀芯上移至y处所受到的电磁吸力，N

电磁调节阀在工作过程中，只通过改变电磁调节阀输入电压V来调节y的值，而其它的物理参数均没有发生改变。假设：

式中 Φd—— 电磁调节阀内部的结构常数，N·mm2/V2

那么，式（4）可以简化为：

根据式（1）作出FK（y）的直线和根据式（6）作出F（y，V）的曲线，如图2所示。

图 2 FK（y）直线和 F（y，V）曲线

从图2可以看出：随着电磁调节阀输入电压V从零开始逐渐增大，FK（y）直线和F（y，V）曲线将出现相交、相切、相离情况。当FK（y）直线和F（y，V）曲线出现相交时，随着电磁调节阀输入电压V逐渐增大，交点a位置沿着弹簧力FK（y）=ky直线向右移动，阀芯向上移动的位移y也逐渐增大。当FK（y）直线和 F（y，V）曲线相切时，只有一个公共的切点，阀芯在该位置处于临界的静止状态，在此处的阀芯将很难保持稳定。因此，电磁调节阀阀芯的工作区域要尽量避开和远离切点。随着电磁调节阀输入电压V继续增大，FK（y）直线和F（y，V）曲线出现了相离，即有FK（y）＜F（y，V），此时的阀芯将由于电磁吸力的作用而被迅速地吸到电磁阀顶部。在FK（y）直线和F（y，V）曲线相切时，根据曲线相切的理论，在切点处列出下列方程组：

2.2 阀口孔径d的确定

电磁调节阀是一种用于调节和控制气体的流量的电磁阀，它被广泛用于流量控制的仪器设备上。图3所示为应用于气体质量流量控制器上的电磁调节阀。

图3 气体质量流量控制器的电磁调节阀结构

假设阀口的内径为d，根据参考文献［5］，得到阀口的最大流量的计算式：

式中 Q ——流体的流量，m3/s

Cd——流量系数，取值为Cd=060～0.61

ΔP ——阀口前后压差，Pa

ρ ——流体的密度，kg/m3

d ——阀口的孔径，m

由式（8）可得：

根据式（9）即可计算出阀口孔径d。

2.3 磁间隙L的确定

将式（8）改写成：

图4 阀口开度示意

2.4 线圈参数的确定

2.4.1 线圈的数学模型

线圈中的电流与线圈匝数的乘积称为“安匝数”，它是作为标志线圈磁势大小的量值。安匝数是电磁调节阀里的一个十分重要的参数，它的大小直接决定电磁吸力的大小。线圈中的电压与电流的乘积称为线圈的发热功率，它的大小直接决定电磁调节阀的温升值的大小。合适的线圈参数应该是在保证安匝数满足设计要求的前提下，线圈的发热功率值越小越好。现假设线圈的电压为U；线圈的电流为I；线圈的圈数为N；漆包线的长度为L；漆包线的直径为d0；漆包线的截面积为s；漆包线的电阻率为q；线圈的电阻值为R；线圈的其它参数见图5。

图5 线圈示意

根据参考文献［6～15］，能够得到下面关于线圈的数学方程。

线圈的圈数N由下式得到：

式中 fk——填充率，可由电磁铁设计手册查得

D2——线圈的外径，mm

D1——线圈的内径，mm

H ——线圈的高度，mm

d0——漆包线的直径，mm

漆包线的长度l由下式得到：

式中 L ——漆包线的长度，m

D0——线圈的中径，mm

由于

于是，可以推导出：

线圈的电阻值R由下式得到：

式中 R——线圈的电阻值，Ω

q——漆包线的电阻率，Ω·mm2/m

s——漆包线的截面积，mm2

于是，可以推导出：

线圈的电流值I由下式得到：

安匝数由下式得到：

式中 IN——安匝数，安匝

线圈的发热功率由下式得到：

式中 P ——线圈的发热功率，W

2.4.2 应用实例

为了更好地说明如何利用上述所推导出来的数学方程来计算确定电磁调节阀线圈的参数，下面举例予以说明。

输入参数如表1所示。

表1 输入参数

在表1中，线圈的外径D2，内径D1，高度H是线圈的外形尺寸，是由电磁调节阀整体结构决定；线圈的最大电压U是电磁调节阀的最大输入电压；填充率fk可通过查阅电磁铁设计手册得到；漆包线的直径d和漆包线的电阻率q可由漆包线厂家提供。然后，利用Excel表格来进行计算，输入表1设计参数的数值，将会得到如表2所示的计算结果。

表2 计算结果

在进行电磁调节阀线圈的参数的设计时，一面可以通过调整线圈的外径D2，线圈的内径D1，线圈的高度H等线圈的外形尺寸的参数，而其它的输入参数不变，得到适合安匝数的值和线圈的发热功率；另一面也可以通过改变漆包线的直径d和相对应的填充率fk，其它的输入参数不变，得到适合安匝数的值和线圈的发热功率。由于安匝数的大小直接了决定电磁吸力的大小，因此在保证安匝数满足设计要求的前提下，输入参数使得线圈的发热功率值P越小越好，这样能有效降低电磁调节阀工作时的温升值。

3 结语

本文给出了阀口孔径d的计算公式，并运用数学分析的方法推导出了磁间隙L确定的方法，即磁间隙L等于阀口孔径d，从而使得电磁调节阀的结构参数的确定有了理论指导。根据多年的电磁调节阀生产经验证明：采用本文所述的方法来确定电磁调节阀的结构参数，如阀口孔径d和磁间隙L等，这样的电磁调节阀不但一次装配合格率高，而且工作很可靠。

在进行线圈参数的确定时，本文通过建立线圈的数学模型，并利用该模型对线圈参数进行设计计算，根据计算结果来确定合适的线圈参数。本文所述的线圈参数的确定方法，不但应用简便，而且计算结果与实际接近。

综上所述，本文所述的电磁调节阀的结构参数的确定方法具有很强的实用性，无论在电磁调节阀的结构设计方面，还是解决生产实际问题方面都有重要的理论指导意义。

［1］ 李泉凤. 电磁场数值计算与电磁铁设计［M］. 北京：清华大学出板社，2002.

［2］ 娄路亮，王海洲.电磁阀设计中电磁力的工程计算方法［J］.导弹与航天运载技术，2007，36（1）：40-45.

［3］ 钱家骊. 电磁铁吸力公式的讨论［J］. 电工技术，2001，22（1）：59-60.

［4］ 苏乾益. D07系列质量流量控制器的工作原理［J］.中国计量，2006（z l）：27-29.

［5］ 闻邦椿. 机械设计手册（第五版）.第4卷［M］. 北京：机械工业出版社，2010.

［6］ 赵凯华，陈熙谋.电磁学（第三版）［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［7］ 王存堂，张波，张兵，等. 汽车减振器阻尼控制阀用电磁铁吸力计算及实验研究［J］.科学技术与工程，2016，16（32）：251-255.

［8］ 王谓，陈凤官，明友，等.直通单座调节阀柱塞式阀芯型线设计方法［J］.流体机械，2016，44（5）：37-41.

［9］ 李虎生，田小青，杨方元，等.不同工况下油煤浆调节阀的流动特性分析［J］.流体机械，2016，44（11）：58-60.

［10］ 徐志新，葛黎明.核级风道调节阀的抗震分析［J］.流体机械，2015，43（8）：55-58.

［11］ 伍容，叶南海，翟兴学，等.考虑孔板的淹没式调节阀性能特性的研究［J］.流体机械，2016，44（1）：6-10.

［12］ 雷立雨，赵有斌，马季威，等.基于PLC的盒式气调包装机设计［J］.包装与食品机械，2016，34（5）：23-27.

［13］ 朱子奇，何大江.10MW工业汽轮机速关阀与调阀内流动和噪声计算分析［J］.机电工程，2016，33（6）：709-712.

［14］ 陈飞飞，徐辉，王世杰，等.带位置反馈的数字式比例方向阀放大器研究［J］.机电工程，2016，33（8）：939-943.

［15］ 李奋勇，董华，陆芯，等. 高压气体电磁阀设计［J］.液压与气动，2011，35（1）：91-93.