近零泄漏型燃气电磁阀设计方案探讨

江 宇 谢 谊 黄逊青 黄泽典 甘婵芳

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528325）

引言

随着人们生活水平的提高，对家用燃热产品的性能及安全性的要求也越来越高，这要求燃气具产品，从整机到零配件，都需要进行技术提升。电磁阀是燃气具行业控制燃气通断的核心执行元件，根据燃烧工况需求，及时对燃气进行通断控制。经过几十年的发展，燃气电磁阀的结构有了一定的改善，各种新工艺也不断涌现。比如采用倒扣型导磁支架，减少一块导磁板；或者在线圈组件上，采用了环氧树脂胶带或二次塑封工艺，对线圈进行保护[1]。

燃气具气路及其配件内充满天然气、液化气、人工气等易燃易爆气体，一旦泄露，可能造成严重的人员财产损失[2-3]，因而燃气具的安全性、可靠性一直是产品质量提升的重点。现行的改善措施虽然能够对电磁阀起到一定的保护作用，但仅停留在电磁阀的外围，并没有在本质上改善电磁阀的密封性，泄漏风险始终存在[4]。

为解决燃气电磁阀存在的气密性问题，本文提出一种新的电磁阀结构，新型电磁阀采用一体成型筒体结构，取消了原有电磁阀中复杂的密封结构，大大提高电磁阀的密封性和可靠性。

1 设计方案

1.1 设计方案概述

产生泄漏需要两个条件，一是相邻结合面间有间隙，二是需要密封的两侧存在一定的压力差。消除任何一个因素，均可阻止泄漏[5]。对燃气电磁阀而言，常用的办法是采用橡胶密封圈，堵塞泄漏通道，消除结合面间隙。

图1所示的目前市场上常见的电磁阀结构，其上部区域为燃气侧，内部充满可燃气体，下部区域为空气侧，直接与空气接触。为保证电磁阀气密性，必须在燃气侧和空气侧的边界阻断燃气传输。为此，常规电磁阀设置了多个密封圈，保证电磁阀气密性。

新型燃气电磁阀结构如图2，与传统电磁阀不同的是，采用了一体成型的筒型零件，利用筒型零件的底部和壁面将燃气与空气隔开，从而达到防止燃气泄漏的作用。

1.2 优缺点分析

与传统燃气电磁阀相比，新型电磁阀具有以下优势：

1）使用一体成型的筒型零件，取消了传统电磁阀的密封圈，简化了电磁阀结构；

2）筒型零件一体成型，气密性好，大大降低了电磁阀泄漏的风险；

3）新型电磁阀零件数目比传统电磁阀减少了40 %，并取消了导磁架和导磁板之间的铆接工艺，装配难度降低。

当然，新型电磁阀也存在一定的缺点，主要体现在零件精度高，对生产及装配工艺要求也较高。

1.3 设计课题概述

从新型燃气电磁阀结构示意图（图2）上可以发现，采用了一体成型的筒型零件后，电磁阀动铁芯、静铁芯的形状均需要改变。而新的动、定铁芯结构改变了电磁阀气隙，为此必须对磁路进行重新设计。

2 设计分析

2.1 力学分析

图3是燃气电磁阀安装示意图，电磁铁动铁芯一端设置于套筒零件内部，另一端连接密封帽，通过弹簧，将密封帽压在阀口上，实现密封；电磁铁动铁芯、静铁芯之间为磁路的主气隙，当线圈通电时，动铁芯带动密封帽，克服弹簧反力，向静铁芯方向移动，进而打开阀门。

套筒零件一方面隔绝燃气，另一方面在动、静铁芯之间承担隔磁作用，使电磁阀在断电时在弹簧力作用下迅速复位。

电磁阀工作时阀芯受力情况如图4。

式中：

Fk—弹簧提供的弹力，N；

G—密封帽和动铁芯的重力，N；

Fe—电磁力，N。

因其受到的反力主要是弹簧力，其反力特性曲线为图5。

图1 常规电磁阀结构示意图

图2 新型电磁阀结构示意图

图3 电磁阀安装示意图

为实现电磁阀顺利开启与关闭，必须根据其反力特性，设计合适的电磁铁结构，使得电磁铁吸力特性曲线在开启时能克服反力的负功。

2.2 电磁学分析

针对本文提出的新型电磁阀基本结构，对电磁铁结构尺寸进行设计。

为达到较好的经济性，可根据美国学者Roters提出的电磁铁结构因数选择合适的电磁铁结构[6]。电磁铁结构因数定义如下：

式中：

F—有效行程初始位置电磁力，N；

δ—有效行程，cm；

根据输入条件，按最大气隙计算电磁阀结构因数K，按图6[7]选择合适的磁感应强度。

根据经验，由图中得到的磁感应强度比实际偏大，因此，最终确定磁感应强度B应比图中选择的偏小。

根据麦克斯韦方程可以得到电磁吸力方程：

通过电磁力方程可推算出铁芯有效端面截面积为：

有效直径：

式中

φ—磁通量，Wb；

B—磁感应强度，T；

μ0—真空磁导率，μ0=4π×10-7H/m；

S—有效截面积，m2；

D—有效直径，m；

下面通过磁路分析[8]来确定电磁铁所需要的安匝数，图7是电磁铁结构示意图，图8是电磁铁的等效磁路。

忽略漏磁通和铁芯磁饱和的影响，磁导主要由三个部分组成，第一部分是动铁芯和导磁环之间的磁导G0，第二部分是动铁芯底部与定铁芯凹面的磁导Gb，第三部分是动铁芯与定铁芯直壁的磁导Gg。

动铁芯和导磁环之间的磁导：

图4 电磁阀受力分析图

图5 电磁阀反力特性曲线

图6 结构因数与磁感应强度的关系

动铁芯底部与定铁芯凹面的磁导：

动铁芯与定铁芯直壁的磁导：

总磁导为：

式中：

R—动铁芯半径，mm；

h—导磁环高度和导磁板厚度之和，mm；

d—动轴与导磁板之间的间隙，mm；

δ—电磁阀额定行程，mm；

x—动铁芯移动的距离，mm；

根据计算，需要由线圈提供的磁通量为：

则磁势为：

确定磁势后，即可以对线圈进行设计。

线圈内径为：

式中：

Rj—静铁芯半径，mm；

t1—静铁芯与线圈骨架的单边间隙，mm；

b1—线圈骨架厚度，mm；

根据经验，初步选取线圈内径与外径的比值为0.56，则线圈外径为：

根据电压方程确定产生足够电动势的导线直径、线圈匝数、线圈电流等参数。

线圈电压方程：

式中：

U—额定电压，V；

I—电流，A；

Rx—线圈电阻，

N—线圈匝数，匝；

ρx—线圈电阻率，Ω·mm2/m；

图7 电磁铁结构示意图

图8 电磁铁磁路示意图

Dx—线圈平均直径，mm；

qx—单根铜导线截面积，mm2；

单根铜导线直径为：

线圈长度为：

式中

P—线圈工作制，长时间工作时P=1；

fk—线圈填充系数；

bx—线圈宽度，mm；

θ—线圈最高允许温升，K；

则线圈匝数为：

通过以上计算，初步得出电磁铁的基本参数。其他参数，如线圈骨架其他部分的厚度、安装位置尺寸、动铁芯安装口尺寸等可按常规电磁阀设计方法得到，此处不再详细说明。

2.3 设计验证

试制后对电磁阀进行测试，将电磁阀安装在测试工装上，保证其装阀深度，向电磁阀通入一定压力的空气，测试阀门开启和关闭时的线圈电压。经测试开阀电压约15.5 V，释放电压约5.5 V，符合设计要求。

电磁铁吸合时的电磁力随输入电压变化如图9，随输入线圈的电压增加，电磁力增加。

电磁铁行程力曲线如图10，随着动铁芯从吸合位置远离静铁芯，电磁力呈现先下降、再维持稳定，最终再下降的趋势。

对电磁阀进行耐久测试，检验电磁阀长时间工作后电磁性能的变化。测试时，向电磁线圈中通入24 V电压维持2 s，断开电源维持2 s，此过程循环一次记为1个开关阀周期，输入电压示意图如图11。测试过程中，每10万个循环测试一次开关阀性能和气密性。开关阀性能测试结果如图12。阀体泄漏量保持在5 ml/h以下。新型电磁阀电气性能稳定，气密性优良。

图9 电磁铁“电压-力”曲线

图10 电磁铁“行程-力”曲线

图11 耐久测试电压输入示意图

图12 电磁铁性能随测试次数变化曲线

2.4 讨论

在电压-力曲线中，电磁力随着输入电压的增加而增加，根据电磁力计算公式，随着电流（电压）增加，电磁力应按照平方的趋势增加，然而，在测试结果中并没有明显表现出来。这主要是由于测试过程参数设定带来的，测试中使用的是固定电压输入，电流在其中只是一个间接量。根据欧姆定律可以计算出电流值，然而，随着测试的进行，线圈开始发热，电阻增加，电流下降，造成实际输入电磁铁的安匝数下降，曲线也随着下降。

在行程-力曲线中，电磁铁吸力呈现了降低-维持-降低的趋势。这是由电磁铁磁路变化特性决定的。简单而言，定铁芯的特殊结构使得磁路分为两个支路G1、G2，其中G1经静铁芯底部与动铁芯底部，G2经静铁芯直壁和动铁芯底部。其中G1产生的磁力随行程的增加而下降，G2产生的磁力随行程增加先增加后下降，最终综合得到了降低-维持-降低的行程-力曲线。

从测试结果上看，电磁阀性能优良，经过百万次测试后电磁性能（由开关阀电压体现）无明显变化。此外，新型电磁阀采用套筒隔绝气体，试验结果表明套筒零件的可靠性高，气密性良好。

3 结论

由于新型燃气电磁阀利用一体成型筒体结构，使得在气密性方面具备了本质安全的特征，常规结构所配备的部分密封结构可以省略。初步的设计验证表明，新型电磁阀的气密性得到显著改善，外部泄漏率接近为零，安全性显著提高；同时运行性能能够长期保持稳定，具备高可靠性的优势，在经过100万次动作的耐久性试验之后，主要技术性能基本保持不变。

由于新结构改变了原有的力学和电磁学设计要求，在新型电磁阀设计过程中进行的一系列的研究和验证，形成了与新结构相适应的设计规范，随着设计和验证工作的深入，相关的设计规范将逐步完善。通过新方案的实施，为燃气电磁阀的开发指出了新的开发思路，对提升电磁阀质量和可靠性具有重要意义。