电磁执行机构工作原理及应用详解

如上所述，在结构因素确定后，阀的主要特性即响应最主要取决于电磁铁的吸合性能F。因此电磁执行机构要求较高的磁性材料。为了使铁心的磁通密度B值上升的更快些，以利于更快达到使铁心移动所需的吸力值，这就必须选用具有低矫顽力H_C、高磁导率μ值与高电阻率ρ值的软磁合金材料，以利于更快速磁化以及更快速的退磁。各种软磁合金棒状材料等经产品实践与研究都接近要求，硅钢片也同样如此。该类材料具有超快高速开关数字阀所要求的全部特殊物理性能，即同时具有高磁导率、高电阻率、高磁通密度和低剩磁、低矫顽力、低密度等特殊的物理性能。随着材料工程的发展，新的诸如磁致伸缩效应及压电效应的材料也在不断地被纳人研究范围以取得更高响应的开关阀。但是由于燃油共轨系统中对高速开关数字阀的使用量大，因此阀的成本敏感度越来越高。因此各种磁性材料的性价比也是研究的方向之一。

根据机械能、电能与磁能三者的转换与平衡，由电磁能量平衡方程式得到电磁力F：

式（5-4）说明电磁力F首先与安匝数IN有平方的关系，同时与气隙δ成反比，并与气隙部位和磁力线垂直的断面积A及真空磁导率μ₀成正比。一旦结构与材料确定，可调整的就是安匝数IN。对于平板拍合式电磁铁来说，式（5-4）与式（5-5）就是电磁端面力，对于螺管式电磁铁除电磁断面力外还包括轴向附加力。

因此，高速开关阀使用的软磁材料应考虑下列一些要求：

1）磁导率μ要高。要求在很小的磁势作用下产生较大的磁通，因此希望材料的μ尽可能大。

2）饱和磁感应强度B_s要高。一方面要得到较大的电磁作用力，另一方面应尽可能缩小导磁体的截面积。

3）矫顽力H_C要小。可减小剩磁的影响，并减小磁滞损耗。

4）电阻率ρ要高。在电磁阀工作过程中，随着电磁铁组件磁路中磁通Φ的变化，导磁体内将会产生环绕磁通的感应电流，即涡流。涡流的作用总是使磁通的变化落后于线圈电流的变化。涡流的存在会增大电磁阀工作的响应时间。为减小涡流损耗，希望材料的电阻率要高。

脉冲调制式数字开关阀应合理安排磁路，提高能量转换效率。因为动能由电磁能转换而得，磁通路径的合理组织，可使电磁能更有效地转化为脉冲调制式数字开关阀运动所需的动能。(www.xing528.com)

在磁路设计上，应使磁通集中在目标磁场，集中在有效目标路径中。减小散磁、漏磁，从而使通过工作气隙的磁通密度加大。

电磁执行机构最重要的是电磁铁心材料的选择，这些材料都属于软磁材料，常见的有电工纯铁、硅钢、坡莫合金与特种粉末冶金（含Co、Ni、Cr）等。电工纯铁多用于一般电磁铁，尽管它的饱和磁感应强度可达1.9T，但只能用于整体结构，其涡流和磁滞损耗大，磁导率低，故用于高速开关阀的情况少见。由于阀的市场需求量极大，因此不仅必须考虑材料的性能也要考虑到其性价比。目前多见的是软磁合金，如铁铝、铁硅或其他合金等。但一些最新型的软磁材料诸如非晶态软磁合金（金属玻璃）与20世纪80年代发现的铁基超微晶（小于50nm）软磁合金，其磁导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，具有耐蚀和高强度等特点，居里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低，后者具有比晶态和非晶态合金更好的综合性能，巨饱和磁感应强度高、稳定性好等，但都尚未进人产品市场。

目前在市场上常见的高速开关阀中的电磁铁材料有两种。一种是采用软铁铝或铁镍合金的螺管式电磁铁，如图5-3与图5-4b所示；另一种是图5-4a所示的平板拍合式E型电磁铁，采用整体式铁芯的电磁铁用铁硅棒料或粉末冶金加工，工艺难度高、价格贵，国内缺乏此种材料；而采用铁硅材料中的硅钢片，用其制成的涡旋叠片高速电磁铁尽管成形困难但难度不大，总面积大，因是单个叠片面积的总和。可是体积小，直径可不大于Φ25mm。涡流较小，控制开启时间可小于1ms。它们的性能在表5-2中已述及。

高速开关阀吸合的时间是磁路设计的主要目标。F的加大，有利于加速度a的加大，在结构气隙已定的情况下，t就会更小。至于t如何测量，一般有两种办法，一个是直接测量阀芯的位移，这种方法直接，可以采用非接触式位移传感器如涡流位移传感器进行测量，因此所得数据比较准确；另一种方法是根据电磁铁在吸合过程中电流变化的特点来判断（图5-7），即间接测量法。

图5-7 衔铁闭合过程电流的变化曲线

图5-7中表达了电磁铁的吸合过程。当线圈通电后，电流按指数规律增长到i₁时，产生的磁通所转化的吸力吸动衔铁，衔铁开始移动（见图5-7中的吸动点与吸合点）。这时磁能变化不大，而线圈的自感系数L却迅速增长，产生励磁电流，当衔铁吸合后电流又重新增大，直到稳定值。

这两种方法各有利弊。尽管直接测量法数据准确，但需要专门的测试装置，由于高速开关阀阀芯直径很小，测量较困难。而间接的电流测量法很方便，采用一般测试设备就可进行，特别是对产品的测量。不过间接测量法有时曲线变化不是很明显，在判断上也需要经验与改进测试装置。