大行程比例电磁铁

参考书：黎启柏《电液比例控制与数字控制系统》比例阀开关控制与比例控制比例系统的组成指令元件、比较元件、放大器、比例阀、执行元件、反馈元件一、比例控制技术作为开关控制技术和闭环调节（伺服）技术之间的连接纽带，比例控制技术在现今的液压技术中已有其明确的含义。

比例控制技术的优点，首先在于其转换过程是可控的，设定值可无级调节，达到一定控制要求所需的液压元件较少。

其次降低了液压回路的材料消耗。

使用比例阀可方便迅速、精确地实现工作循环过程，满足切换过程要求。

通过控制切换过渡过程，可避免尖峰压力，延长机械和液压元件的寿命。

用来控制方向、流量和压力的电信号，通过比例器件直接加给执行器，这样使液压控制系统的动态性能得到改善。

那么，如何理解液压技术中比例技术的含义呢？首先用图3.1的信号流程图来加以说明：根据一个输入电信号电压值的大小，通过电放大器，将该输入电压信号（一般在0~±9V之间）转换成相应的电流信号，如10mV=1mA。

这个电流信号作为输入量被送入电磁铁，从而产生和输入信号成比例的输出量——力或位移。

该力或位移又作为输入量加给液压阀，后者产生一个与前者成比例的压力或流量。

通过这样的转换，一个输入电压信号的变化，不但能控制执行器和机械设备上工作部件的运动方向，而且可对其作用力和运动速度进行无级调节。

另外，还能对相应的时间过程，例如在一段时间内流量的变化，加速度的变化或减速度的变化等进行无级调节。

二.比例阀1.比例电磁铁比例电磁铁是电子技术与液压技术的连接环节。

比例电磁铁是一种直流行程式电磁铁，它产生一个与输入量(电流)成比例的输出量：力和位移。

按实际使用情况，电磁铁可分为：a）行程调节型电磁铁——具有模拟量形式的位移电流特性。

b）力调节型电磁铁——具有特定的力电流特性。

电磁铁能产生与输入电流成比例变化的输出位移和力。

1.1力调节型电磁铁在力调节型电磁铁中，由于在电子放大器中设置电流反馈环节，在电流设定值恒定不变而磁阻变化时，可使磁通量不变进而使电磁力保持不变。

第4期2011年4月工矿自动化Industry and M ine A ut omatio nNo.4 Apr.2011文章编号:1671-251X(2011)04-0074-03一种比例电磁铁控制电路的设计赵江辉, 王淑红(太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原 030024)摘要:采用AT89S51单片机设计了一种比例电磁铁控制电路。

该电路首先由AD 转换电路将采集到的模拟量信号转换为数字量后输入AT89S51进行处理,AT 89S51输出的PWM 信号经功率转换电路处理后作用于比例电磁铁,从而控制比例电磁铁动作。

调试运行结果验证了该电路的有效性。

关键词:比例阀;比例电磁铁;单片机控制;压力传感器 中图分类号:TD679 文献标识码:BDesign of a Cont rol Circuit of Proport ional SolenoidZH AO Jiang hui, WA NG Shu hong(College of E lectr ical and Pow er Engineering of T aiyuan University of T echnolo gy,Taiyuan 030024,China)Abstract :T he paper introduced a design o f co ntro l circuit o f pr opo rtio nal so lenoid based on AT89S52sing le chip micr ocom puter.T he circuit uses ADC circuit to conv er t collected analog signals into dig ital sig nals for further pr ocession by AT89S51,and PWM sig nal output by AT 89S51to make propo rtio nal solenoid act after processio n of po w er conversio n circuit.The debug ging and running results show ed validity of the circuit.Key words :proportional valve,proportional so lenoid,co ntrol by single chip microcomputer,pressur e senso r 收稿日期:2010-12-20基金项目:山西省自然科学基金资助项目(2008012005-1)作者简介:赵江辉(1986-),男,山西吕梁人,硕士研究生,研究方向为电机与电器。

比例电磁铁的结构
它的工作范围较窄， 仅适用于行程较小 的电液比例压力阀。 工作特性是上图的
曲线3
增加了轭铁1, 减少了漏磁通， 稳
住了螺管力， 因而工作特性 曲线如上图的 曲线3。
锥底结构螺管电磁铁 1-轭铁 2-外壳 3-线圈 4-锥底止座
比例电磁铁的结构
电磁 吸力
盆底止座结构的比例电磁铁 1-衔铁 2-上轭铁 3-底面 4-隔磁环 5-锥面
普通电磁铁与比例电磁铁的静态吸力特性。静态吸力特性 就是在稳态过程中得到的吸力特性。
静态吸力特性只是衔铁无限缓慢移动时的一种特例。
2-比例电磁铁 可以看出：比例电磁铁的 输出电磁力在整个工作行程
内基本上保持恒定。
比例电磁铁在不同输入电流下的力—位移特性曲线， 可见电磁力与输入电流之间的关系是线性关系。
在其工作行程内的任何位置上，电磁力只取决于输入电流。
普通电磁铁的结构
电磁铁在吸合过程中，产生两个磁通：主磁通 和漏磁通L 。衔铁受到的吸力由两部
分构成：主磁通产生端面力，漏磁通产生螺管力。这两个力的方向是一致的（向左）
F螺管力 F端面力
衔铁运动时， 主气隙是不断 减小的，因而 主磁通逐渐增 加，而漏磁通 就不断减小， 也即是螺管力 与端面力之比 不断变化，在 处，漏磁通与 主磁通相比， 其值很小，螺 管力趋于零。
最大输出力为65～80N有效 行程。
力控制型比例电磁铁及其电器控制 1-比例电磁铁 2-给定电位计 3-比例电控器
在用作位置输出控制时 行程为3～5mm。
比例电磁铁的维护
比例电磁铁多数为湿式，也有干式比例电 磁铁，不同厂家的湿式比例电磁铁中耐油 压的程度也不尽相同，多数为耐35 MPa的 静压。

收稿日期:2009203220作者简介:张　齐(1984-),男,辽宁海城人,沈阳化工学院硕士研究生。

第27卷第3期2009年7月沈阳师范大学学报(自然科学版)Journal of S henyang Norm al U niversity (N atural Science )V ol.27N o.3J ul.2009文章编号:1673-5862(2009)03-0306-04基于Ansoft 的比例电磁铁电磁力的有限元分析张　齐(沈阳化工学院信息工程学院,辽宁沈阳　110142)摘 要:在Ansoft 的Maxwe112D 有限元软件中建立模型,分析比例电磁铁固定铁芯与可动铁芯锥面形状、吸合面位置、磁性材料对电磁铁电磁力的影响。

计算表明不同的锥面形状、不同的锥面长度和厚度、吸合面位置在零点之上、选用高饱和磁感应强度的材料可获得较好电磁力,计算结果可以用于比例电磁铁的优化设计。

关　键　词:Ansoft ;比例电磁铁;固定铁芯;可动铁芯;吸合面位置;磁性材料中图分类号:TM 503 文献标志码:A0　引 言比例电磁阀具有对油质要求不高、控制性能好的优点,在电控喷油系统、流量控制系统中得到越来越广泛的应用。

比例电磁铁为比例电磁阀的关键部件,其功能是将输入的电流信号,转换成力或位移信号输出,其轴向推力与线圈电流成正比例[122]。

比例电磁铁在其工作行程内,电磁力很大程度上保持不(a )开关电磁铁;(b )比例电磁铁图1　力2位移特性曲线变,以此区别于普通开关式电磁铁。

如图1所示,这种吸力特性,是通过工作气隙的特殊造型和导磁体磁力的引导而形成。

开关式和比例式电磁铁的差别并不完全取决于电磁铁本身,比例电磁铁通最大电流时相当于开关式电磁铁,开关式电磁铁通不同的电流时也会产生不同的推力[3]。

Maxwe112D 是Ansoft 系统中设计电磁铁内容的重要组成部分,是一个功能强大、计算精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件,可用来分析电磁铁尺寸、边界条件、磁场力、磁通密度等。

吸合面位置对比例电磁铁行程-力特性的影响赵继国;冀宏【摘要】建立了比例电磁铁有限元仿真模型,在考虑衔铁尾部端面位置的情况下,利用Ansoft Maxwell2D电磁场有限元仿真软件,分析了吸合面位置对比例电磁铁行程-力特性的影响.仿真结果表明:衔铁尾部端面位置不变时,吸合面位置对比例电磁铁行程-力特性的影响较小.衔铁长度不变时,随着吸合面位置的前移,比例电磁铁行程-力特性水平程度变差,工作行程内电磁力减小,且衔铁越短,工作行程内电磁力的减小程度越显著.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】4页(P105-108)【关键词】比例电磁铁;吸合面;行程-力特性;Ansoft【作者】赵继国;冀宏【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;甘肃省液压气动工程技术研究中心,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;甘肃省液压气动工程技术研究中心,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TH137比例电磁铁作为电液比例阀最常用的关键电-机械转换元件，具有推力大、结构简单、对油质的清洁度要求不高、维修方便和成本低廉等优点[1]。

其主要功能是将比例控制放大器输出的电信号转换成与之成比例的力或位移，轴向推力与输入电流成正比(稳态电流-力特性)，且在工作行程内保持恒定(水平行程-力特性)[2]。

比例电磁铁的性能直接决定电液比例控制阀以至整个系统的工作性能[3]。

影响比例电磁铁行程-力特性的因素很多，良好的行程-力特性很难得以保证。

近年来，国内外诸多研究人员对影响比例电磁铁行程-力特性的因素开展了相关的研究。

衔铁和极靴作为比例电磁铁重要的组成部分，二者吸合面的位置对比例电磁铁行程-力特性有重要的影响。

文献[4-5]研究了衔铁、极靴端面的形状对比例电磁铁行程-力特性的影响，文献[6-7]研究了衔铁与极靴端面倾角大小对比例电磁铁行程-力特性的影响，文献[8]在忽略了衔铁尾部端面位置的情况下，研究了比例电磁铁固定铁芯和可动铁芯吸合面位置对比例电磁铁电磁力的影响，得到的一些结论为设计和优化比例电磁铁提供了一定的参考依据。

比例电磁铁概述比例电磁铁作为电液比例控制元件的电一机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输给的电流信号转换成力或位移。

比例电磁铁推力大、结构简单，对油质要求不高，维护方便，成本低廉，衔铁腔可做成耐高压结构，是电液比例控制技术中应用最广泛的电一机械转换器。

比例电磁铁的特性及工作可靠性，对电液比例控制系统和元件具有十分重要的影响，是电液比例控制技术关键部件之一。

电液比例控制技术对比例电磁铁提出了一定的要求，主要有:1)水平的位移一力特性，即在比例电磁铁有效工作行程内，当线圈电流一定时，其输出力保持恒定。

2)稳态电流一力特性具有良好的线性度，较小的死区及滞回。

3)阶跃响应快，频响高。

比例电磁铁的结构和工作原理虽然目前国内外市场中比例电磁铁的品种繁多，但其基本的结构和原理大体相同。

图1所示即为一典型的耐高压比例电磁铁的基本结构。

图1 比例电磁铁结构图图2比例电磁铁力-位移特性图由图1可知，典型的耐高压比例电磁铁主要由导套、衔铁、外壳、极靴、线圈、推杆等组成。

导套前后两段为导磁材料，中间则用一段非导磁材料(隔磁环)焊接。

导套具有足够的耐压强度(约可承受35MPa的静压力)。

导套前段和极靴组合，形成带锥型端部的盆型极靴，其相对尺寸决定了比例电磁铁稳态特性曲线的形状。

导套和壳体之间配置同心螺线管式控制线圈。

衔铁的前端装有推杆，用以输出力或位移;后端装有弹簧和调节螺钉组成的调零机构，可以在一定范围内对比例电磁铁特性曲线进行调整。

比例电磁铁一般为湿式直流控制，与普通直流电磁铁相比，由于结构上的特殊设计，使之形成特殊的磁路，从而使它获得基本的吸力特性，即水平的位移一力特性，与普通直流电磁铁的吸力特性有着本质区别。

比例电磁铁的磁路，在工作气隙附近被分成两部分Φ1和Φ2，如图３(a)所示。

其中，一条磁路中Φ1由前端盖盆型极靴底部，沿轴向工作气隙，进入衔铁，穿过导套后段和导磁外壳回到前端盖极靴，产生轴向推力(端面力)F1;而另一磁路Φ2经盆型极靴锥形周边(导套前段)，径向穿过工作气隙进入衔铁，而后与Φ1汇合，产生轴向附加力F2。

单向比例电磁铁典型的耐高压单向比例电磁铁结构原理图如图1所示，它主要由推杆1、衔铁7、导向套10、壳体11、轭铁13等部分组成。

导向套10前后两段为导磁材料（工业纯铁），导向套前段有特殊设计的锥形盆口。

两段之间用非导磁材料（隔磁环9）焊接成整体。

筒状结构的导向套具有足够的耐压强度，可承受35MPa的液压力。

壳体11与导向套10之间配置同心螺线管式控制线圈3。

衔铁7前端所装的推杆1用以输出力或位移，后端所装的调节螺钉5和弹簧6组成调零机构。

衔铁支撑在轴承上，以减小粘滞摩擦力。

比例电磁铁通常为湿式直流控制（内腔要充入液压油），使其成为衔铁移动的一个阻尼器，以保证比例组件具有足够的动态稳定性。

工作时，线圈通电后形成的磁路经壳体、导向套、衔铁后分为两路，一路由导向套前端到轭铁而产生斜面吸力，另一路直接由衔铁断面到轭铁而产生表面吸力，二者的合成力即为比例电磁铁的输出力（见图2）。

由图2可以看到，比例电磁铁在整个行程区内，可以分为吸合区I、有效行程区II和空行程区III三个区段：在吸合区I，工作气隙接近于零，输出力急剧上升，由于这一区段不能正常工作，因此结构上用加不导磁的限位片（图1中的12）的方法将其排除，使衔铁不能移动到该区段内；在空行程区III工作气隙较大，电磁铁输出力明显下降，这一区段虽然也不能正常工作，但有时是需要的，例如用于直接控制式比例方向阀的两个比例电磁铁中，当通电的比例电磁铁工作在工作行程区时，另一端不通电的比例电磁铁则处于空行程区III；在有效行程区（工作行程区）II，比例电磁铁具有基本水平的位移动特性，工作区的长度与电磁铁的类型等有关。

比例电磁铁具有与位移无关的水平的位移－力特性，一定的控制电流对应一定的输出力，即输出力与输入电流成比例（见图3），改变电流即可成比例改变输出力。

由图3可看到，当电磁铁输入电流往复变化时，相同电流对应的吸力不同，一般将相同电流对应的往复输入电流差的最大值与额定电流的百分比称为滞环。

比例电磁铁电液比例控制技术对比例电磁铁提出了一定的要求，主要有：a)水平的位移力特性，即在比例电磁铁有效工作行程内，当线圈电流一定时，其输出力保持恒定。

b)稳态电流——力特性具有良好的线性度，较小的死区及滞回。

c)阶跃响应快．频响高。

1.1 结构与水平吸力特性图0.1 耐高压直流比例电磁铁的结构和特性a)传统电磁铁的吸力特性；b)比例电磁铁的特性的形成——2种吸力特性的叠加；c)形成2种吸力特性的结构因素——隔磁环；d)分3个区段——用小隔磁环来消除第1区段，第2区段为水平吸力区，第3区段为辅助工作区；e)调零弹簧对输入输出特性的影响；f)电磁铁工作状态:湿式,耐高压,动铁前后通油孔改善动态特性。

1.2 稳态控制特性图0.2 不带位移反馈比例电磁铁位移——力特性图0.3 不带位移反馈比例电磁铁电流——力特性图0.4 带位移闭环的比例电磁铁的稳态特性1.3 力控制型与位置控制型：结构与特性的对比力控制型——与输入信号成比例的是输出力；位置控制型——与输入信号(电压)成比例的不是输出力!而是动铁位移（具体力的大小由负载需要定——在最大吸力之内）行程调节型——力控制性的变种（由弹簧转化为位移） 比较关系如下表：结构输入输出特性使用 力控制型 电流--- 输出力 输出力只与输入电流成正比工作区内与衔铁位移无关行程较短，用于先导级行程控制型 力控制型+负载弹簧，结构完全相同，只是使用上的区别电流--力----位移输出位移与输入电流成正比 输出行程较大，多用于直控阀 位置调节型力控制型+位移传感器，增加了动铁位置小闭环电流--- 衔铁位置衔铁位置与输入电流成正比与所受反力无关*有动铁位置反馈闭环 *用于控制精度要求较高的直控阀1.4 结构对性能的影响a) 动铁的阻尼通道； b) 反比例；c) 双向激励线圈，湿式，双向输出,无零位死区； d) 排气。

举例某电磁铁的规格如下表：电磁铁规格 035 045 060 新发展输出力 N 55 75 135 行程 mm 2+2 3+3 4+4额定电流 mA 680 810 11102500--3700常态电阻 Ω 24.6 2116.7电压V24。

比例电磁铁
比例电磁铁是一种能够按照一定的比例来产生电磁力的装置。

这种类型的电磁铁通常由绕组、铁芯和电源组成。

绕组是一个由导线制成的线圈，通常绕在一个铁芯上。

当电流通过绕组时，会产生一个磁场。

磁场的强度与电流的大小成正比。

铁芯的作用是增强磁场的强度。

铁芯通常由铁制成，因为铁具有较高的磁导率，能够有效地集中和增强磁场。

电源提供了电流给绕组，从而产生磁场。

电源可以是直流电源或交流电源，具体取决于应用需求。

比例电磁铁的原理是根据安培定律，电流通过绕组时会产生一个磁场，磁场与电流的关系为磁场强度等于电流乘以绕组的匝数。

因此，通过控制电流的大小和绕组的匝数，可以实现按照一定比例来产生电磁力。

比例电磁铁在工业和科学研究领域有广泛的应用。

例如，它可以用于控制和调节机械系统的运动，如电磁阀、电磁刹车等。

此外，比例电磁铁还可以用于制造精密仪器和设备，如电流表、磁力计等。

量磁位函数给出, 有以下形式
标量磁位 # 1: A = A 0
(2)
第二类边界条件为: 满足物理量 u 在边界 # 上
的法向导数
5 5
u n
=
f
2 (x , y )
对于平面稳定电磁场问题, 第二类边界条件用
标量磁位函数给出, 有以下形式
标量磁位 #
2:
5A 5n
=
-
Bn
Λ
(3)
式中 B n ——磁通密度矢量的法向分量
107
准的几何锥形盆口。对比直线形状, 采用内凹型和外 凸型两种曲线构成盆口 (图 9)。采用内凹曲线, 衔铁 的位移力特性最佳; 曲线外凸, 水平特性段尾部上 翘, 电磁铁的水平力特性变差; 直线则介于两者之间 (图 10)。 内凹曲线提供的导磁面积比较狭窄, 磁通 绝大多数集中在曲线的前端, 即导套的底部, 此时磁 通分量 5 2 较小, 轴向附加力 F 2 也相应较小; 曲线外 凸时, 隔磁环处的导磁面积加大, 磁通更多向导套前 端集中, 径向磁通分量 5 2 得到明显加强, 使得主气 隙磁通 5 1 受到较大的削弱, 衔铁轴向推力相应出现 下跌。因此, 内凹型隔磁曲线相对于直线型和外凹型 隔磁曲线而言, 能够更好地补偿主工作气隙轴向力 的幅值变化, 因而也就能够获得更好的行程力特性。
长时, 磁路通过衔铁、极靴、壳体即形成闭合; 可见因
衔铁长度变短而引入的后端非工作气隙导致整个磁
路磁阻变大, 引起磁力大幅度减小。 衔铁作为电磁铁的重要组成部分, 是其唯一的
可动工作部件。 减少长度降低质量可缩短其动作时
间, 但电磁铁的推力减小。过长的衔铁长度并不能增 加轴向推力, 可以选取图 6 的B 点即曲线进入饱和 的起始点作为衔铁的设计长度, 既有足够大的轴向

2.2
2.2.1
图2-2普通螺线管型电磁铁
1.非工作间隙；2.工作间隙；3.外壳；4.激磁线圈；5.档铁；6.衔铁
普通甲壳型螺线管电磁铁如图2-2所示，由外壳3、挡铁5、衔铁6、激磁线圈4组成。当线圈通有直流电I时，线圈便在铁芯中产生磁场，并形成闭合的磁力线路。电磁铁存在两个气隙，一个工作气隙2，另一个非工作气隙1。在电磁铁吸合过程中形成两个变化的磁通，即主磁通∮和变化的磁通∮L。衔铁6所受到的吸力主要由两部分组成。主磁通产生的力称为端面力，而漏磁通产生的力称为螺管力。对图示结构这两个力的方向是一致的。这两个力的合力就构成了总的电磁力。
位置调节型比例电磁铁在比例方向阀和比例流量阀上，可控制阀口开度，用在比例压力阀上，可获得精确的输出力。这种比例电磁铁具有很高的定位精度，负载刚度大，抗干扰能力强。由于这类比例电磁铁是一个位置反馈系统，故要与配套的比例放大器一起使用。
（1）位置调节型比例电磁铁结构图
图2-12位置调节型比例电磁铁结构图
（6）能承受液压系统高压，抗干扰性好。
(4)比例电磁铁的概述
a.比例控制的核心是比例阀。比例阀的输入单元是电－机械转换器，它将输入信号转换成机械量。
b.比例电磁铁根据法拉第电磁感应原理设计,能使其产生的机械量(力或力矩和位移)与输入电信号(电流)的大小成比例，再连续地控制液压阀阀芯的位置，实现连续地控制液压系统的压力、方向和流量。
(2-1)
式中B0——等效气隙处的磁感应强度（T）；
S0——等效气隙端面积（m2）；
μ0——空气导磁率，其值为（H/m）。
（2）磁势方程
磁势方程反映了电磁铁正常工作时所需要的激磁势值，利用磁势方程可求出线圈所需要的激磁安匝数：
(2-2)
式中Rp,Rg——气隙磁阻和导磁体磁阻。

行程/mm
Figure3.Electromagnetic force curve of different coil winding 图3 不同线圈绕组下得到的电磁力特性曲线
从仿真的结果可以看出，起初时当线圈绕组的长度逐 渐增大而绕组厚度逐渐减小时，电磁力逐渐增大，并且有 效行程内的最大电磁吸力偏差逐渐变小，即其平坦性逐渐 变好；但是当超过一定值后，绕组长度继续的增大、厚度 继续减小时，电磁力反而开始减小，同时有效行程内最大 电磁吸力偏差逐渐变大，即平坦性开始变差。电磁力的大 小和平坦性呈现先变好而后又逐渐变差的状态。进一步通 过大量的仿真分析可以知道：线圈绕组的长度与厚度之比 在2.6—3.0范围内能产生较理想的电磁力。
Figure2.Sketch map of coil structure 图2 线圈结构示意图
Table 1.Different parameter of coil winding 表1 不同的线圈绕组参数 ABCDE F
长度:厚度 1.16 1.51 2.61 3.21 4.35 5.90
4.2 优化铁芯的高径比 相同材料不同体积的铁芯产生的电磁力不同，而具有
相同体积但高度和直径比值（简称高径比）不同的铁芯产 生的电磁力特性也不同。为了消除不同体积因素的影响， 在电磁阀芯体积质量一定的前提下，根据铁芯高径比的不 同，建立不同的模型，如图3所示为铁芯的轴对称模型（表 2为其高径比参数）。
在这6种线圈绕组中，它们绕组长度厚度之比各不相 同，但具有相同的线圈匝数。利用Ansoft有限元软件对其 进行仿真，得到电磁力的变化情况：
高的话可以选取高径比值较小的，也可以优化电磁阀的整 体外部结构，因为选取较大的高径比在横向尺寸变化不大 的情况下增大电磁阀的纵向尺寸。同时，在综合考虑线圈 绕组和铁芯结构的情况下，应尽量使得线圈绕组的长度与 两铁芯长度和的一半相当为宜。

大功率高频响比例电磁铁推拉储能式PWM驱动电路研究大功率高频响比例电磁铁推拉储能式PWM驱动电路研究摘要：本文研究了一种大功率高频响比例电磁铁推拉储能式PWM驱动电路，该电路采用了储能元件来提高驱动电磁铁的效率和稳定性。

通过实验验证，该电路在大功率和高频率工作条件下具有较好的稳定性和响应速度，适用于工业自动化领域的电磁铁驱动系统。

关键词：大功率；高频响比例；电磁铁驱动；储能式PWM 1. 引言电磁铁是一种重要的工业自动化装置，广泛应用于机械、仪表控制、电力等领域。

随着自动化技术的发展，对电磁铁驱动系统的要求越来越高，特别是在大功率和高频率工作条件下。

传统的PWM驱动电路在大功率和高频率条件下往往存在效率低、响应慢、稳定性差等问题。

因此，研究一种适用于大功率高频响比例驱动电磁铁的储能式PWM驱动电路具有重要的理论和实际意义。

2. 系统结构本文设计了一种大功率高频响比例电磁铁推拉储能式PWM驱动电路，其主要包括储能元件、H桥电路、比例控制电路和PWM控制电路四个部分。

2.1 储能元件储能元件是电磁铁驱动系统的核心部件，用于存储能量和提供稳定的电压输出。

本文采用了储能电感元件，其具有更高的储能效率和更快的响应速度。

2.2 H桥电路H桥电路是电磁铁的驱动器，用于控制电磁铁的正、反向运动。

本文采用了高功率的MOSFET管来构建H桥电路，以提供足够的功率输出和响应速度。

2.3 比例控制电路比例控制电路是根据输入控制信号的幅度来调整电磁铁的推力或拉力的大小。

本文采用了滑动模式控制方法，通过调整占空比来控制电磁铁的推拉力大小。

2.4 PWM控制电路PWM控制电路根据比例控制电路输出的信号，通过改变PWM信号的频率和占空比，来控制电磁铁的推拉速度和响应时间。

本文采用了基于STM32单片机的PWM控制电路，具有高精度和快速响应的特点。

3. 实验结果与分析通过对该电路的实验测试，得出以下结论：3.1 储能电感元件能够有效提高储能功率和响应速度，在大功率和高频率条件下具有较好的稳定性。

比例电磁铁imageimage简介比例电磁铁是一种通过电流在导线中产生磁场的装置。

它由一个螺线管或电磁铁芯以及通电的导线组成。

当电流通过导线时，会产生一个磁场，这个磁场在比例电磁铁中被放大。

比例电磁铁被广泛应用于各种领域，如科学研究、工业制造、教学实验等。

它具有可控性强、重量轻、安装简便等特点，因此在实践中得到了广泛应用。

原理比例电磁铁的工作原理基于法拉第电磁感应定律和安培环路定理。

根据法拉第电磁感应定律，当导体中有一个变化的磁场时，会产生感应电动势，从而导致电流的变化。

而安培环路定理则描述了电流会产生一个磁场。

比例电磁铁利用这两个定律，通过导线中的电流产生磁场，并在电磁铁内放大。

导线中的电流通过线圈产生的磁场可以叠加产生更强大的磁场。

结构比例电磁铁通常由以下几部分组成：1.螺线管/电磁铁芯：螺线管是由绕在芯上的导线组成，电磁铁芯则是填充在螺线管内部的材料，如铁、镍等。

它们的作用是集中磁场，增强磁场强度。

2.导线：导线通过通电产生电流，进而产生磁场。

通常使用铜线或铝线作为导线。

3.电源：电源为比例电磁铁提供电流。

可以是直流电源或交流电源，具体选择根据实际需求而定。

4.支架/固定装置：用于支撑和固定比例电磁铁，确保其稳定运行。

应用比例电磁铁在各个领域都有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：1.科学研究：比例电磁铁可用于物理实验或磁场研究。

例如，在研究磁场对物体的影响时，可以使用比例电磁铁模拟不同强度的磁场。

2.工业制造：比例电磁铁在工业制造中被用作电磁吸盘、电磁制动器、电磁驱动器等设备的核心组件。

通过控制比例电磁铁的电流，可以实现对设备的精准控制。

3.教学实验：比例电磁铁是物理实验教学中常用的实验装置之一。

学生可以通过实际操作来理解电流、磁场与力的相互作用关系。

4.医疗设备：比例电磁铁广泛应用于医疗设备中，如磁共振成像（MRI）设备。

通过控制比例电磁铁的磁场强度和方向，可以对人体进行高清晰度的成像。

1 比例控制的兴起 流体传动的理论基础是由 17 世纪帕斯卡提出的
帕斯卡定律为奠基石 , 之后获得了快速发展 , 特别是被 20 世纪第二次世界大战期间战争的激励 , 取得了很大 进展 , 整体上经历了开关控制 、伺服控制 、比例控制 3 个阶段 。 比例控制技术是 20 世纪 60 年代末人们开发 的一种可靠 、价廉 、控制精度和响应特性 , 均能满足工 业控制系统实际需要的控制技术 。 当时 , 电液伺服技 术已日趋完善 , 但电液伺服阀成本高 、应用和维护条件 苛刻 , 难以被工业界接受 。希望有一种价廉 、控制精度 能满足需要的控制技术去替代 , 这种需求背景导致了 比例技术的诞生和发展 。 1967 年 瑞士某公司生产的 KL 比例复合阀标志着比例控制技术在液压系统中应 用的正式开始 , 主要是将比例型的电 -机械转换器(比 例电磁铁)应用于工业液压阀 , 到 80 年代 , 随着微电子 技术和数学理论的发展 , 比例控制技术已达到比较完 善的程度 , 主要表现在 3 个方面 :首先是采用了压力 、 流量 、位移 、动压等反馈及电校正手段 , 提高了阀的稳 态精度和动态响应品质 , 这些标志着比例控制设计原 理已经完善 ;其次是比例技术与插装阀已经结合 , 诞生 了比例插装技术 :再是以比例控制泵为代表的比例容 积元件的诞生 。 2 比例阀的特点与种类
198 8 . [ 2] 钟约先 , 林亨 .机械 系统计 算机控制[ M] .北 京 :清华大 学
出版社 , 2001.
3 比例控制系统及应用
1)比例环节
比例环节也称为无惯性环节 , 对于液压缸或马达 ,
忽略液压油的 可压缩 性和泄 漏 , 液压缸 的流量 Q = VA 。 其中 V 为活塞速度 ;A 为活塞面积 。

比例电磁铁关键结构参数分析摘要：比例电磁铁是比例阀的核心部件，它的水平位移——力特性是比例电磁铁所要求的重要性能，用电磁仿真软件对多种比例电磁铁结构方案进行了电磁学仿真，在此基础上总结出影响位移——力特性及电磁力大小的几个重要参数，并对这些参数对比例电磁铁性能的影响进行分析。

关键词：比例电磁铁，结构参数，电磁学仿真1.概述比例电磁铁作为电液比例控制元件的电——机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输给的电流信号转换成力或位移。

比例电磁铁推力大、结构简单，对油质要求不高，维护方便，成本低廉，衔铁腔可做成耐高压结构，是电液比例控制技术中应用最广泛的电——机械转换器。

比例电磁铁的特性及工作可靠性，对电液比例控制系统和元件具有十分重要的影响，是电液比例控制技术关键部件之一。

利用已经建立的比例电磁铁仿真模型，通过计算机仿真，比较得出比例电磁铁的关键的结构参数，其中包括衔铁长度、衔铁与导套间的径向间隙、隔磁环工作角度、隔磁环工作长度、隔磁环位置、隔磁环前段几何形状（以下简称隔磁曲线）、导套厚度、工作气隙的形状以及工作气隙宽度等。

利用验证的数学模型，对其结构参数进行计算机仿真分析。

下面简述仿真结果与分析。

2.比例电磁铁关键结构参数分析2.1 衔铁长度对比例电磁铁的影响如图1所示，轴向推力随着衔铁长度的增加而增大，B点处的推力约为A点处推力的3倍；但是曲线的上升速率呈下降趋势，尤其在B点之后，曲线基本呈水平状。

产生这种现象的原因在于衔铁长度变化引起磁路的闭合路径发生变化进而导致磁阻变化。

在衔铁长度较短的情况下，磁路需经过衔铁后端气隙、衔铁、极靴以及壳体方能闭合，而衔铁长度较长时，磁路通过衔铁、极靴、壳体即形成闭合。

可见因衔铁长度变短而引入的后端非工作气隙导致整个磁路磁阻变大，引起磁力大幅度减小。

衔铁作为电磁铁中的唯一可动部件，其设计非常关键。

衔铁的形状（径长，轴长）属于敏感参数，一旦设置衔铁尺寸过小，电磁力减小，必须通过增加激磁线圈安匝数来弥补，而安匝数的增加会增大涡流损耗，不利于电磁铁的动特性。

摘要:在液压传动系统中，液流的压力是最基本的参数之一，执行元件的输出力或输出扭矩的大小，主要由供给的液压力所决定。

为了对油液压力进行控制，并实现和提高系统的稳压、保压、减压、调压等性能或利用压力变化实现执行机构的顺序动作等，根据油液压力和控制机构弹簧力相平衡的工作原理，人们设计制造了各种压力控制阀。

在液压设备中主要起定压溢流作用和安全保护作用。

关键词:电液比例溢流阀工作原理结构设计1绪论液压技术作为一门新兴应用学科，虽然历史较短，发展的速度却非常惊人。

液压设备能传递很大的力或力矩，单位功率重量轻，结构尺寸小，在同等功率下，其重量的尺寸仅为直流电机的10%-20%左右；反应速度快、准、稳；又能在大范围内方便地实现无级变速；易实现功率放大；易进行过载保护；能自动润滑，寿命长，制造成本较低。

液压阀的功用是控制液压传动系统的油流方向、压力和流量；实现执行元件的设计动作以控制、实施整个液压系统及设备的全部工作功能。

2比例溢流阀的结构设计溢流阀的基本功用是：当系统的压力达到或超过溢流阀的调定压力时，系统的油液通过阀口溢出一些，以维持系统压力近于恒定，防止系统压力过载，保障泵、阀和系统的安全，此时的溢流阀常称为安全阀或限压阀。

①工作原理:设弹簧预紧力为Ft，活塞底部面积为A则：当PA<Ft 时，阀口关闭。

当PA=Ft时，阀口即将打开。

当PA>Ft时，阀口打开，P→T，稳压溢流或安全保护。

②调压原理：调节比例电磁铁的输出力，便可调节溢流阀调整压力。

③特点：可知这种阀的进口压力P不受流量变化的影响，被力P变化很小，定压精度高。

但由于Ft直接与PA平衡，若P较高，Q较大时，电磁力就相应地较大，且Ft略有变化，p变化较大，所以一般用于低压小流量场合。

3溢流阀主要参数设计溢流阀工作时，随着溢流量的变化，系统压力会产生一些波动，不同的溢流阀其波动程度不同。

因此一般用溢流阀稳定工作时的压力-流量特性来描述溢流阀的动、静态特性。