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節(jié)能型直流電磁閥的設計研究-德國萊克LIK品牌
發(fā)布時間:2023/4/15
引言：本文簡要介紹了直流電磁閥的結(jié)構(gòu)及工作原理，分析了傳統(tǒng)電磁閥的不足，提出了一種新型節(jié)能直流電磁閥的結(jié)構(gòu)及工作原理，并為改善性能而作出的關鍵技術進行了創(chuàng)新設計，使產(chǎn)品更趨于結(jié)構(gòu)合理，安全節(jié)能，性能穩(wěn)定。
電磁閥按使用電源的不同可分為直流電磁閥和交流電磁閥，是一種用電磁控制的工業(yè)設備，主要用來控制流體的自動化關鍵元件，屬于執(zhí)行器，廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其它的參數(shù)。電磁閥可以配合不同的電路來實現(xiàn)預期控制的目的，使控制的精度和靈活性能夠得到保證。電磁閥在工作時線圈需要長期保持通電，消耗電能。電磁閥的廣泛應用雖然方便了自動控制，但消耗的電能非常可觀。在提倡節(jié)能環(huán)保的前提下，這一問題應當引起重視。本文重點將直流型的電磁閥提出以下創(chuàng)新改造設計，具有一定的推廣應用價值。
1.結(jié)構(gòu)原理
傳統(tǒng)的直流電磁閥一般包括閥體和線圈兩部分，閥體包括閥座、套管、動鐵芯、靜鐵芯和復位彈簧，線圈包括導磁架、引出腳，以及在導磁架內(nèi)的線圈架，線圈架上繞有線圈，線圈與引出線相連接。線圈套在閥體上，采用螺釘固定。傳統(tǒng)直流電磁閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其工作原理是：當線圈通電時，線圈產(chǎn)生磁場，動鐵芯在電磁力的作用下克服彈簧力與靜鐵芯吸合，閥體閥口打開，閥體進口與出口通路。當線圈斷電時，由于線圈沒有電流流過，沒有磁場產(chǎn)生，動鐵芯的復位彈簧的作用下，與靜鐵芯分離，閥體閥口關閉，閥體進口與出口關斷。
2.設計要求
由于傳統(tǒng)的電磁閥其電源電壓無法調(diào)節(jié)，故吸合后仍然保持原來較大的功率，所以不但電能損耗較大，還會導致線圈溫度升高幅度大，對線圈的制造帶來較高的要求，不但耗能大，而且成本高、性價比差。
針對上述情況，需要解決的關鍵問題是提供一種耗電省、工作時線圈溫度升高幅度小的電磁閥的線圈。具體參數(shù)確定如下：適用溫度為-20℃～+55℃；采用直流供電方式，額定電壓為24Vdc；線圈采用澆封型。
依據(jù)GB14536.1-2008《家用和類似用途電自動控制器 第1部分：通用要求》的要求，在電磁閥線圈的開發(fā)、制造過程中，在確保產(chǎn)品電氣性能的前提下，作了以下研究和探索。
（1）采用雙線圈結(jié)構(gòu)和在外部設置延時斷路機構(gòu)
傳統(tǒng)的直流電磁閥線圈采用單線圈結(jié)構(gòu)，吸合和保持均通過同一個線圈完成，不但電能消耗大，而且線圈溫度上升過高，影響線圈的使用壽命。經(jīng)測試，電磁閥要保持吸合狀態(tài)的話，線圈消耗的功率只需不大于額定功率的20%就可以了。為此，我們采用了雙線圈結(jié)構(gòu)，即將線圈的起動功能和保持功能分開，分別稱為起動線圈和保持線圈，改進了線圈架，在上面設置隔離塊，兩個線圈繞制在線圈架的隔離塊兩側(cè)，將兩個線圈相連接并在連接處設置引出線，該引出線和起動線圈的引出線之間串接延時斷路機構(gòu)。
當電磁閥需要打開時，延時斷路機構(gòu)處于通路狀態(tài)，線圈通以直流電，保持線圈在外接延時斷路機構(gòu)的作用下為短路狀態(tài)，使得全部電壓加在起動繞組上，此時功率較大，動鐵芯迅速吸合，此瞬間（一般吸合時間在20毫秒左右）吸合功率約為P1=U2/R起動。當延時斷路機構(gòu)動作時，外接延時斷路機構(gòu)為開路狀態(tài)，線圈回路由起動線圈和保持線圈串聯(lián)而成，此時的功率為P2=U2/（R起動+R保持），一般P2≤0.2P1。所以，此結(jié)構(gòu)不但在工作時功率低、耗電省，線圈溫升也大幅度降低，而且適應電壓波動范圍也較大，電磁性能得到了很好的改觀。
（2）采用不飽和聚酯樹脂為線圈的澆封劑
上世紀90年代，直流電磁閥線圈的澆封材料普遍采用環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂作為一種常用的澆封材料，具有成型工藝簡單、耐腐蝕性強、固化后力學性能較好等優(yōu)點，但存在明顯的缺點，需要和添加物同時使用、固化時間長和引出線結(jié)合處易漏水導致電氣性能下降。為此，在選用澆封更方便、固化時間短和引出線結(jié)合更好的且電氣性能更佳的不飽和聚酯樹脂作為線圈的澆封材料。不飽和聚酯樹脂線圈是一種熱固性材料，具有以下優(yōu)點：硬度高、重量輕、耐腐蝕、絕緣性好，在電氣領域中，它常被用來加工抗電痕大于600min及抗電弧大于180s的部件，可以用于戶外和極端環(huán)境。
（3）采用耐熱等級為H級的漆包線
傳統(tǒng)的直流電磁閥線圈在工作中會發(fā)熱，線圈表面溫度會很高，用電阻法測試溫升，測試條件為25℃無風狀態(tài)下，測試電壓為額定電壓的1.1倍，測得線圈溫升為85K，當使用環(huán)境溫度達到允許的最高溫度時，線圈內(nèi)部的溫度為140℃，經(jīng)雙線圈改造后線圈消耗的功率大大減少，線圈溫升也大大下降，從數(shù)值上看采用耐熱等級為F級的漆包線就可以了。但澆封時固化溫度一般為140℃左右，此溫度余量明顯不足，采用更高耐熱等級的漆包線有利于提高線圈生產(chǎn)過程中的合格率水平，為此，在繞制線圈時我們選用更高級別的H級漆包線。
3.結(jié)束語
采用雙線圈的結(jié)構(gòu)，可以改善直流電磁閥的起動性能，減少電源消耗，降低了線圈溫升，從而有效降低了線圈的故障率，使設備長期可靠運行。同理，該直流型電磁閥的創(chuàng)新改造設計，也可以適合應用于交流電磁閥的設計。
電磁閥按使用電源的不同可分為直流電磁閥和交流電磁閥，是一種用電磁控制的工業(yè)設備，主要用來控制流體的自動化關鍵元件，屬于執(zhí)行器，廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其它的參數(shù)。電磁閥可以配合不同的電路來實現(xiàn)預期控制的目的，使控制的精度和靈活性能夠得到保證。電磁閥在工作時線圈需要長期保持通電，消耗電能。電磁閥的廣泛應用雖然方便了自動控制，但消耗的電能非常可觀。在提倡節(jié)能環(huán)保的前提下，這一問題應當引起重視。本文重點將直流型的電磁閥提出以下創(chuàng)新改造設計，具有一定的推廣應用價值。
1.結(jié)構(gòu)原理
傳統(tǒng)的直流電磁閥一般包括閥體和線圈兩部分，閥體包括閥座、套管、動鐵芯、靜鐵芯和復位彈簧，線圈包括導磁架、引出腳，以及在導磁架內(nèi)的線圈架，線圈架上繞有線圈，線圈與引出線相連接。線圈套在閥體上，采用螺釘固定。傳統(tǒng)直流電磁閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其工作原理是：當線圈通電時，線圈產(chǎn)生磁場，動鐵芯在電磁力的作用下克服彈簧力與靜鐵芯吸合，閥體閥口打開，閥體進口與出口通路。當線圈斷電時，由于線圈沒有電流流過，沒有磁場產(chǎn)生，動鐵芯的復位彈簧的作用下，與靜鐵芯分離，閥體閥口關閉，閥體進口與出口關斷。
2.設計要求
由于傳統(tǒng)的電磁閥其電源電壓無法調(diào)節(jié)，故吸合后仍然保持原來較大的功率，所以不但電能損耗較大，還會導致線圈溫度升高幅度大，對線圈的制造帶來較高的要求，不但耗能大，而且成本高、性價比差。
針對上述情況，需要解決的關鍵問題是提供一種耗電省、工作時線圈溫度升高幅度小的電磁閥的線圈。具體參數(shù)確定如下：適用溫度為-20℃～+55℃；采用直流供電方式，額定電壓為24Vdc；線圈采用澆封型。
依據(jù)GB14536.1-2008《家用和類似用途電自動控制器 第1部分：通用要求》的要求，在電磁閥線圈的開發(fā)、制造過程中，在確保產(chǎn)品電氣性能的前提下，作了以下研究和探索。
（1）采用雙線圈結(jié)構(gòu)和在外部設置延時斷路機構(gòu)
傳統(tǒng)的直流電磁閥線圈采用單線圈結(jié)構(gòu)，吸合和保持均通過同一個線圈完成，不但電能消耗大，而且線圈溫度上升過高，影響線圈的使用壽命。經(jīng)測試，電磁閥要保持吸合狀態(tài)的話，線圈消耗的功率只需不大于額定功率的20%就可以了。為此，我們采用了雙線圈結(jié)構(gòu)，即將線圈的起動功能和保持功能分開，分別稱為起動線圈和保持線圈，改進了線圈架，在上面設置隔離塊，兩個線圈繞制在線圈架的隔離塊兩側(cè)，將兩個線圈相連接并在連接處設置引出線，該引出線和起動線圈的引出線之間串接延時斷路機構(gòu)。
當電磁閥需要打開時，延時斷路機構(gòu)處于通路狀態(tài)，線圈通以直流電，保持線圈在外接延時斷路機構(gòu)的作用下為短路狀態(tài)，使得全部電壓加在起動繞組上，此時功率較大，動鐵芯迅速吸合，此瞬間（一般吸合時間在20毫秒左右）吸合功率約為P1=U2/R起動。當延時斷路機構(gòu)動作時，外接延時斷路機構(gòu)為開路狀態(tài)，線圈回路由起動線圈和保持線圈串聯(lián)而成，此時的功率為P2=U2/（R起動+R保持），一般P2≤0.2P1。所以，此結(jié)構(gòu)不但在工作時功率低、耗電省，線圈溫升也大幅度降低，而且適應電壓波動范圍也較大，電磁性能得到了很好的改觀。
（2）采用不飽和聚酯樹脂為線圈的澆封劑
上世紀90年代，直流電磁閥線圈的澆封材料普遍采用環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂作為一種常用的澆封材料，具有成型工藝簡單、耐腐蝕性強、固化后力學性能較好等優(yōu)點，但存在明顯的缺點，需要和添加物同時使用、固化時間長和引出線結(jié)合處易漏水導致電氣性能下降。為此，在選用澆封更方便、固化時間短和引出線結(jié)合更好的且電氣性能更佳的不飽和聚酯樹脂作為線圈的澆封材料。不飽和聚酯樹脂線圈是一種熱固性材料，具有以下優(yōu)點：硬度高、重量輕、耐腐蝕、絕緣性好，在電氣領域中，它常被用來加工抗電痕大于600min及抗電弧大于180s的部件，可以用于戶外和極端環(huán)境。
（3）采用耐熱等級為H級的漆包線
傳統(tǒng)的直流電磁閥線圈在工作中會發(fā)熱，線圈表面溫度會很高，用電阻法測試溫升，測試條件為25℃無風狀態(tài)下，測試電壓為額定電壓的1.1倍，測得線圈溫升為85K，當使用環(huán)境溫度達到允許的最高溫度時，線圈內(nèi)部的溫度為140℃，經(jīng)雙線圈改造后線圈消耗的功率大大減少，線圈溫升也大大下降，從數(shù)值上看采用耐熱等級為F級的漆包線就可以了。但澆封時固化溫度一般為140℃左右，此溫度余量明顯不足，采用更高耐熱等級的漆包線有利于提高線圈生產(chǎn)過程中的合格率水平，為此，在繞制線圈時我們選用更高級別的H級漆包線。
3.結(jié)束語
采用雙線圈的結(jié)構(gòu)，可以改善直流電磁閥的起動性能，減少電源消耗，降低了線圈溫升，從而有效降低了線圈的故障率，使設備長期可靠運行。同理，該直流型電磁閥的創(chuàng)新改造設計，也可以適合應用于交流電磁閥的設計。
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