FKM型电空阀电磁力与启动临界点电压参数的研究

王希营， 郭志杰

（中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲412001）

0 引言

电空阀是通过直流电源使线圈产生磁场力来控制压缩空气管路的接通或切断，从而达到远距离控制气动装置的电器装置[1]。电磁力的大小与线圈匝数数量、通电电流大小密切关联，当电压恒定时，线圈匝数和电流大小可以通过电阻大小反映出来，考虑机车的应用工况，在研究电空阀启动电压时需考虑到电阻受到环境温湿度影响。电空阀在进行工作时存在2个电压（即启动电压和DC 110 V工作电压值），为保证在启动电压工况下电空阀能正常准确、可靠地工作，启动电压是研究电空阀电磁力的一个重要参数数据。

1 磁路分割法计算电磁力

电空阀正常使用条件：额定电压为DC 110 V；工作电压为DC 77.0～137.5 V（机车车辆提供）；额定气压为900 kPa，最大工作气压为1000 kPa，最小工作气压为675 kPa；使用环境温度为-40～+50 ℃；环境最大相对湿度≤90%（月平均最低温度为25 ℃）。

1.1 电磁力及磁阻理论计算

考虑电空阀基本结构类似直流螺线管电磁铁，在稳态工作时产生电磁力为[2]

式中：Φ为气隙磁通，Wb；μ0为真空磁导率，Wb/（A·m）；S为磁路截面积，m2；B为气隙磁感应强度，T。

鉴于磁路具有串联和并联特征，对于电磁吸力计算需重点考虑表征导磁能力的磁阻，同时磁路分割法能保证精确地计算电空阀各组成部件的磁导，即将电空阀部件分割成许多具有简单几何形状的圆柱磁体，计算各部分磁阻，再根据磁路中各磁阻的连接关系确定总的磁阻，其中通用磁阻的计算公式为[3]

式中：μ为导磁介质的磁导率；Lm、Sm分别为磁介质的长度和截面积。

1.2 实例分析

针对电空阀中的电磁铁，电磁铁部分为轴对称结构（如图1），材料如表1所示，热轧圆钢和无缝钢管作为导磁材料，计算时需定义材料的参数，酚醛塑料、气隙等为非导磁材料，其相对磁导率为1[4]。

图1 电空阀结构示意图

电空阀技术指标参数如下：稳定气隙为（1.9±0.2）mm；阀杆行程δ为（1.0±0.1）mm；20 ℃时电阻值为891.1～1013 Ω；线圈匝数为13 000；动铁芯和静铁芯圆锥角度θ为45°；磁路截面积S=192-[19-2tan θ·（1.9-δ）]2=129.56-60.8δ-4δ2。

表1 电空阀各部分材料

1.3 磁路分割计算结果

根据电空阀结构关系将气隙、动铁芯、静铁芯和紫铜管组成几个串联磁路，先计算独立部分的磁阻，然后计算整个磁路的磁阻，再根据磁路的欧姆定律求得磁路的磁通Φ。计算时认为铜管为非导磁材料，其相对磁导率为1[4-5]，根据式（2）计算各部件磁阻，如表2所示。

表2 各部分磁阻 H-1

根据电空阀技术参数，正常工作电压DC 110 V时磁路磁通为

将以上参数代入式（1），电磁铁吸力为

2 试验装置及工况设定

在考虑环境温湿度情况下，测量不同工作状况时电空阀电磁力的大小，选取10套FKM型电空阀分别编号，要求其中两套线圈电阻一致，其余几套电阻各不一样，并分别记录当时安装环境下及试验时每组的电阻值和环境的温湿度，根据在DC 60 V、DC 77 V及DC 110 V下通电一段时间，分4段时间分别记录磁轭筒温度及电磁力显示值。

改装后的研究装置包括金属二位三通FKM电空阀、电空阀电磁力试验工装、压紧力研究装置、220 V直流电源、温湿度计、秒表、欧姆表、手持式温度测量仪及电空阀微机寿命试验台，如图2所示。

图2 研究测试装置

3 试验结果统计分析

通过对试验数据进行统计，试验不同电压下通电时间和电空阀磁轭筒温度及电磁力大小关系的折线图，如图3～图8所示（图中各曲线分别为1～10号电空阀）。

其次同时对10组电空阀在不同电压下测量初始电磁力值进行统计，得到关于电阻和电磁力关系的折线图，如图9～图11所示。

图3 DC 60 V通电下通电时间和电空阀磁轭筒温度关系

图3～图8中随着电空阀磁轭筒的温度升高，电磁力的大小也存在略微的下降。随着电压升高，电空阀电磁力大小也随之升高。同时随之电空阀电阻值增加，电磁力也略微有所下降，但不影响其动作性能。

图4 DC 60 V通电下通电时间和电空阀电磁力大小关系

通过对10组电空阀数据统计分析，在环境温度为27 ℃，湿度为52%RH情况下，DC 60 V电压下电空阀电磁力大小在26 N 左 右，DC 77 V 电压下电空阀电磁力大小在44 N左右，DC 110 V 电压下电空阀电磁力大小在87 N左右（理论计算为104.95 N，由于电空阀内有摩擦阻力等因素，电磁力大约损失15%，符合设计要求）。

图5 DC 77 V通电下通电时间和电空阀磁轭筒温度关系

从图9～图11试验显示，随电空阀电阻值增加，电磁力也略微有所下降。在最低启动电压为DC 60 V时，电空阀的电磁力大小为26 N左右，且通过100万次以上寿命试验验证完全满足各项性能要求，不影响其动作性能。

4 结语

经实验总结研究分析，环境温度为27 ℃时，此电空阀的启动临界点电压值为60 V为宜（当环境温度变化时，由于电空阀内部电阻的变化启动为电压值会相应地稍微增加，即可依次得出其它温度下的临界点值）。若产品批量例行试验时，当环境温度为27 ℃时，启动电压值大于60 V，例如70 V才启动工作，说明了电空阀启动迟缓，启动迟缓分析原因为：该电空阀由于内部阻力超标或绕制装配过程中的因素影响而导致不合格。

图6 DC 77 V通电下通电时间和电空阀电磁力大小关系

图7 DC 110 V通电下通电时间和电空阀磁轭筒温度关系

图8 DC 110 V通电下通电时间和电空阀电磁力大小关系

图9 DC 60 V通电下各组电空阀电阻值和电磁力关系

图10 DC 77 V通电下各组电空阀电阻值和电磁力关系

图11 DC 110 V通电下各组电空阀电阻值和电磁力关系

通过对电空阀启动临界点电压与电磁力合适大小的综合分析，得出批量生产试验时的标准和依据，为产品批量生产试验提供更为精确的判断，提高了产品的质量。