电磁线圈的工作原理、温度及应用

电磁线圈在输入电流后产生磁场。从这个角度出发，用于电磁开关阀和电磁比例阀的线圈可以是相同的。有许多供货商也确实是这么做的，例如SUN、ST公司。

1.结构

电磁线圈由线匝、电源接头和铁套组成。

现代的线圈都是注塑密封的。有的生产商还在塑料中加入高达30%的玻璃纤维，以增加线圈刚性。

为使线匝产生的磁力形成环路，且磁阻较小，线匝外必须要有相当厚度的导磁外套（yoke）。一般都是电工纯铁，要求导磁性好，剩磁低。

图9-13 电磁线圈的铁套

a）铁套内置式 b）铁套外置式

此套有内置式（见图9-13a）和外置式（见图9-13b）。

内置式的导磁性能较好，但由于铁和塑料的热膨胀系数不一样，在热胀冷缩的过程中，容易产生间隙。

外置式的散热性能较好，也可以保护线圈减少机械性损伤。应用日见增多。

如所周知，电磁力与线匝的圈数和通过线圈的电流成正比。采用较粗的铜线，增加圈数，可以在同样电压同样电流下，获得较大的电磁力。当然线圈的体积变大，价格也会高。

2.交直流电源

一般生产商都能提供使用直流12V、24V及交流110（115）V、220（230）V的电磁线圈。有的还可以提供更多类型，以满足客户特殊要求。例如，HF公司还可提供直流10V、36V、48V、110V及交流24V，并接受直流6V、20V、30V及72V的订货。

同一生产商，功率相同电压不同的线圈，装配尺寸都相同，可互换。

如所周知，交流线圈有一缺点，即，在切换时，衔铁若不能达到闭合位置，电流会急剧上升，可能烧毁线圈。因此，螺纹插装电磁阀都使用直流线圈。有些厂家，如ST、HF和SUN等公司的线圈里带有全桥整流回路，可以直接用于交流电源。ih公司的则无，用于交流电源时，接头里必须有整流回路（见图9-14）。

另外，即使是直流电源，也要注意检查其质量。如果其交流分量，即整流余波超过5%时，可能引起线圈被烧毁。

大多数螺纹插装阀都是应用在行走液压，电源供应第一是来自蓄电池，直流，常为24V左右。但是当内燃机驱动发电机，给蓄电池充电时，电压就会高一些，有的甚至超过28V，而且还可能带一些交流分量，必须注意。

图9-14 电磁阀接头中的整流回路（ih）

A—接头 B—直流线圈

3.工作温度、环境温度与绝缘等级

电磁阀的线圈都能持续工作，即100%工作制。

电磁线圈工作时，所通过的电流除了在刚得电的零点零几秒内，推动衔铁做了一些机械功以外，其余时间里全都转化为热量。因此，升温是不可避免的（见图9-15）。随着线圈与环境的温度差越来越大，散热也越来越多。到某一温度，发热和散热达到平衡，线圈温度才不再上升。这个平衡温度，一方面取决于散热条件——线圈表面积大小，散热系数等；另一方面，也取决于周围的环境温度。

因为持续得电的线圈，平衡温度达到100℃是常见的。所以，线圈的绝缘等级至少为F级，即最高耐温155℃。也有使用H级（HF和SUN公司）和N级（ST公司）的，最高耐温分别为180℃和200℃。

ST公司给出，线圈的平衡温度在额定电压和自然通风条件下可能达到高于周围环境温度的75℃，甚至95℃。因为它们线圈最高耐温200℃，所以它们的线圈可以工作在100℃的环境温度下。

鉴于线圈可能达到很高温度，因此，要考虑做好防护措施，避免操作人员由于接触线圈而被烫伤。

图9-15 电磁线圈的温度随时间上升的曲线

t—时间 T—温度 F—电磁力 i—电流 P—功率 U—电压

4.工作电压与电流

有标准规定，应该允许输入电压有±10%的偏差。HF公司声称，它们的产品允许输入电压偏差±15%。SUN公司则称，允许±20%。

但要注意的是，因为电磁力与通过电磁线圈的电流成正比，而线圈的电阻随温度上升而增加，会导致工作电流下降，从而电磁力下降。所以，要保持正常工作的输入电压与环境温度在图9-16所示的可工作区域内（各生产商略有差异）。电压略超，关系不大。反之，电压不足，则在较低的环境温度下还能工作，但当环境温度升高时，就不能正常工作了。因此，有的生产商，例如ST公司，要求至少要达到75%的额定工作电流。

图9-16 输入电压U与环境温度T的关系（HF）

5.反向电压冲击保护

在线圈得电时，由于线圈的电感效应，电流是逐渐增大的（见图9-17）。到衔铁开始运动后，线圈电感增加，造成通过线圈的电流短时间下降。到衔铁行程结束后（t>t₁），电流再度逐渐增加，直至稳定值。

在线圈断电时，电流突然被切断，所导致的磁场变化会造成一个很高的反向电压冲击。该电压峰值可达额定电压的20倍以上，可能损坏线圈绝缘层。

SUN公司在线圈中加入反向二极管，把反向电压峰值从600V降到约70V（见图9-18）。

要特别注意的是，一般电磁线圈是无极性的。但带有二极管后，就有极性了。接线就必须按照给出的极性接。否则，电流会通过二极管引起短路，烧毁线圈。

6.失效原因与防范措施(www.xing528.com)

电子运动不同于机械运动，没有磨损。理论上说，电磁线圈应该寿命无限。但实际上总还是有损坏，而且还是电磁阀失效的主要原因之一。其原因有如下。

图9-17 电磁铁通电断电过程（BOSCH）

S—衔铁行程 I—通过线圈的电流 U_n—额定电压 U_f—断电时的反向电压 t₁—衔铁闭合时间 t₂—衔铁复位时间

1）被外来撞击损坏。

2）线圈紧固螺母A（见图9-19）如果拧得过紧，就有可能使线圈C的外包塑料层受损，产生细小裂纹。

图9-18 电磁阀失电时的反向电压峰

a）不带反向二极管 b）带反向二极管

A—反向电压可达600V以上 B—反向电压约70V

有的产品采用带胶圈增大摩擦力的螺母，这样螺母不需要拧得很紧，也不用担心会掉。

3）衔铁套筒D被锈蚀而膨胀，也会损坏线圈的塑料层。因此很多产品在线圈两端放置O形密封圈，以避免水渗入线圈与套筒之间。

4）在固定液压中广泛使用的ISO/DIN43650接头（见图9-20），其金属引脚A与塑料之间总会有细小间隙。如果密封圈C未装好或缺失，用在露天环境中，水就可能通过这个间隙进入线圈内部。

图9-19 电磁线圈的紧固与防护

A—紧固螺母 B—O形密封圈 C—线圈 D—套筒

图9-20 ISO/DIN43650电磁线圈接头

A—金属引脚 B—螺母 C—密封圈 D—紧固螺钉

5）接头紧固螺钉D如果拧得过紧，也可能把埋在线圈外包塑料中的螺母B拉出，导致塑料保护层受损。所以，紧固扭矩一定要遵循产品说明书给出的数值。细节不注意的话，带来的后果很大。

6）线圈工作时都会发热。线匝间的空气就会膨胀，并从引入线接头与注塑外壳之间及其他缝隙中逸出。等线圈不工作，冷却后，内部压力降低，又会吸入空气。这就是所谓的线圈“呼吸”现象。这样就可能把水气带入线圈，导致腐蚀。据说，有的生产商开始采用扁铜线缠绕线圈，以减少线间的间隙。

7）由于腐蚀以及绝缘层高温老化，线圈中的漆包线就发生圈间短路。少量圈间短路，电磁线圈还能工作。但随着圈间短路的增多，线圈电阻下降，通过线圈的电流增大。在圈间短路处，发热特别集中，损坏加速。从外部一时却还看不出。

对于以上种种情况，最好防患于未然：定期測量线圈的电阻。如果某线圈的电阻比正常值下降了15%～20%，那寿命肯定不长了。即使机器还能工作，也趁早换掉。要注意的是，线圈的电阻随温度变化，測量时要考虑到这个因素。

比较先进的可编程控制器PLC可以监视各个输出口的输出电流。如果同时检測工作环境温度，配以适当的算法，就可实现线圈损坏预报警。

7.防护标准

水，特别是含杂质及化学溶剂的水，对线圈是致命的。因此，IEC144和DIN40050-9规定了防水防尘等级。

IP65：该防护等级要求，能防止灰尘进入，并能承受距离在3m外的低压水枪的冲击。

IP67：该防护等级要求，能防止灰尘进入，并能浸入1m深的水中30min而不引起损坏。

IP69K：该防护等级要求，能防止灰尘进入，并能承受距离在10～15cm内的高压（10MPa）高温（80℃）并混有洗涤剂的水柱的冲击。

8.接头形式

因为在板式阀中普遍使用的ISO/DIN43650接头仅能达到防护等级IP65（图9-21a），因此出现了多种其他形式的接头，以满足不同的、特别是工程机械的需要（见图9-21b～g）。其中：图c、d和e接头内带密封圈，一般都可以达到

图9-21 各种形式的电磁线圈电源接头

a—ISO/DIN43650 b—双引出线 c—AMP Junior d—deutsch（DT04-4P） e—Metri—Pack f—双插脚（double spade） g—另一种双引出线

IP67。b和g双引线在线圈处没有塑料与金属的接缝，也可以达到很高的防护级别。但用户也要注意，要避免水从电线的绝缘套和金属线之间的间隙进入线圈。

9.节能接头

有很多电磁阀，只是在得电过程中需要较大的电磁力，以克服液动力的最大值。一旦完成全行程，开口较大，液动力就不那么大了（见9.1.3节4.）。有鉴于此，ST公司推出了XPRO804型节能接头（见图9-22）。

此接头外形如ISO/DIN43650接头。利用脉宽调制技术，在得电的最初50ms内提供100%的电压，随后，逐渐下降到30%。可用在能源供应比较有限的场合。

图9-22 ST公司的XPRO804型电磁线圈节能接头