高速电磁阀

2024-07-20

高速电磁阀（共5篇）

高速电磁阀篇1

燃油喷射系统被喻为发动机的“心脏”,电控燃油喷射系统因能提高发动机输出功率、降低油耗与清洁排放等优点,得到迅速发展与推广。其喷射单元内部的高速电磁阀是极为关键的控制执行元件,工作特性直接影响整个系统的性能。高速电磁阀必须提供可靠的强电磁力和毫秒级的响应速度,以保证系统的控制精度及快速响应能力。文献[1]用直接计算法研究电磁阀动态响应,这种方法计算量大且复杂;文献[2]中的电磁阀用AMESIM软件进行仿真,但因其电磁铁模型基于磁路理论构建,准确性降低。现根据不同的设定参数,模拟电磁阀的实际工作状况,用SIMULINK仿真软件得出相应参数的仿真曲线。通过分析比较仿真曲线,确定影响电磁阀动态响应特性的主要参数,包括驱动电压、弹簧刚度及线圈匝数等;并通过优化这些参数,从而获得较理想的电磁阀动态响应特性,实现了预期的设计需求。

1高速电磁阀数学模型的建立

高速电磁阀的铁芯设计为单E型的卷铁芯结构,采用铁硅合金材料。其结构简图如图1所示在ECU控制下,电磁阀线圈通电时,铁芯与衔铁形成闭合磁通,产生电磁吸力,静铁芯吸引衔铁闭合,与衔铁固连的推杆打开阀口;线圈断电时,在弹簧力作用下,衔铁恢复到初始气隙位置,阀口关闭。

考虑到E型铁芯结构的对称性,在电磁阀建模中可当成两个单U型电磁铁线性组合而成。其数学模型由电路方程、磁路方程和运动方程三部分构成。

1.1 电路方程

电磁阀理想的能量输入方案是在衔铁运动刚开始时,就能得到最大的电磁吸力,使其在整个移动过程中,都能以最高的加速度运动,保证衔铁吸合时间最短。这就要求电磁阀在初始运动阶段,电流有很大的变化率,尽快达到最大值。随着气隙的减小,磁阻的降低,较小电流仍能保持足够的电磁吸力,使衔铁在整个运动过程始终以最高加速度工作[3]。所以该驱动电压采用高激励电压与低维持电压驱动方式。等效简化后,得到基本电路方程

$U = U_{R} + U_{L} = R i + \frac{d λ}{d t} (1)$

式(1)中:

U为驱动电压,Upeak为峰值驱动电压,Uhold为维持电压,tH 为峰值电压作用时间,tP为控制信号持续时间,R为线圈等效电阻,i为通过线圈的电流,λ为磁链(λ=L(x)i=Nφ),L(x)为线圈电感。

1.2 磁路方程

考虑到铁磁材料与工作气隙的磁阻影响以及导磁体磁阻的变化,根据基尔霍夫磁压定律,等效磁路计算方程为

$Ν i = Η_{c} L_{c} + Η_{δ} L_{δ} = \frac{B_{c}}{μ_{c}} L_{c} + \frac{B_{δ}}{μ_{δ}} L_{δ} = \frac{φ}{2 μ_{0} μ_{r} S} L + \frac{φ}{μ_{0} S} δ (2)$

由式(2)可推出

$Ν^{2} i = \frac{λ}{2 μ_{0} μ_{r} S} L + \frac{λ}{μ_{0} S} δ (3)$

$i = \frac{L}{2 Ν^{2} S} \frac{Η}{B} λ + \frac{δ}{μ_{0} Ν^{2} S} λ (4)$

由麦克斯韦电磁吸力公式,电磁吸力为

$F_{e} = 4 F_{e_{0}} = 4 \frac{(φ / 2)^{2}}{2 μ_{0} S} = \frac{λ^{2}}{2 μ_{0} Ν^{2} S} (5)$

式中δ为气隙宽度(δ=δ0-x),δ0为初始气隙宽度,x为衔铁位移,L为磁导体的有效长度(L=l+2(c+h)),N为线圈匝数,μ0为真空磁导率,μr为相对磁导率,S为单位电磁铁气隙面积,Fe0为单个气隙电磁吸力,Fe为总电磁力。

1.3 运动方程

动衔铁部分可模拟成一个质量-弹簧-阻尼系统,相当于一个简单的强迫简谐振动系统。其等效运动简图见图2。由牛顿第二定律,运动方程为

$F_{e} = m a + F_{B} + F_{Κ} - F_{0} = m \frac{d^{2} x}{d t^{2}} + B \frac{d x}{d t} + Κ (x + x_{0}) - Ρ_{0} A (6)$

式中m为衔铁质量,a为衔铁运动加速度,B为速度阻尼系数,K为弹簧刚度,x为衔铁位移,x0为预紧力作用下的弹簧初始压缩量,P0为腔内初始压力。

2 高速电磁阀仿真模型的建立

仿真软件选用Matlab仿真平台下的Simulink软件。它功能强大且易于操作,支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统的仿真[4] 。由于高速电磁阀是一个典型的动态非线性系统,如采用解联立方程组的方法来求各动态的特征量,计算复杂且不直观;而用Simulink仿真技术不仅可以看出某参数变化时电磁阀响应特性的改变,还能通过输出直观的电流、电磁力、衔铁位移图分析电磁阀的响应。

根据高速电磁阀电路、磁路及运动方程,建立高速电磁阀整体仿真模型如图3所示。其中,考虑预紧力略大于初始腔内压力,铁磁材料磁导率由硅钢磁化曲线获得,并用Simulink中的Lookup Table模块采用三次样条插值的方法输入到仿真框图中。图3中

$Κ_{1} = \frac{1}{μ_{0} Ν^{2} S} ‚ Κ_{2} = \frac{1}{2 μ_{0} Ν^{2} S} ‚ Κ_{3} = \frac{L}{2 Ν^{2} S} ‚ Κ_{4} = \frac{1}{2 Ν S}$ 。

2.1 驱动电压的影响

通过初始高激励电压与低维持电压相互配合驱动,能降低电磁铁的功耗及延长电磁阀的使用寿命。起始激励电压越大,则激励电流爬升快,电磁阀的响应时间短,响应加快。不同起始电压对电磁铁响应的影响如图4所示。通过仿真也发现,维持电压小幅变动时,仅对衔铁回复响应起作用,且影响不大,可忽略不计。

2.2 弹簧刚度的影响

在不同弹簧刚度下,衔铁响应曲线有较大差异,仿真图如图5所示。刚度增加导致弹簧作用力增大,而在开启阶段该力为表现为阻力,在回复阶段该力转变为助力。因此,弹簧刚度越大,电磁阀开启速度越慢,但关闭响应速度越快。在仿真中发现,刚度并不能无限增大,当刚度为430 N/m时,作用在衔铁上的电磁力小于弹簧作用力,衔铁不能维持在最大行程处。

2.3 线圈匝数的影响

不同线圈匝数对电磁阀响应的影响如图6所示,线圈匝数越多,开启与回复响应越慢。可由式(4)解释,匝数增多,电感增大,导致激励电流爬升慢,开启时间延长,电磁阀响应动作慢;而线圈匝数越多,电磁阀磁通量大,回复响应时间也长。

2.4 最优参数的仿真结果

通过观察因参数变化引起的相应输出变化的scope图,综合考虑衔铁开启响应时间、开启状态以及关闭响应时间要求,最终确定出高速电磁阀主要部分的最佳仿真参数为

驱动电压:Upeak=85 V(脉宽为0.5 ms);

Uhold=28 V(脉宽为3 ms);

线圈匝数:50匝;

单磁极的磁通流通面积:20 mm2;

衔铁质量:4 g;

弹簧刚度:420 N/mm;

弹簧预紧力:11 N。

用上述最佳参数仿真,高速电磁阀能产生稳定的5 A的电流及84 N的电磁力;动衔铁位移符合初始气隙要求;电磁阀响应时间在1 ms以下,响应速度快且响应稳定,符合既定的设计要求。仿真曲线图如图7所示。

3 结论

该模型的建立综合了电、磁和机械三部分的非线性方程组,磁路方程考虑了铁芯磁阻及磁阻的变化,这种考虑更接近实际模型。仿真过程中发现影响该高速电磁响应快慢的主要因素有驱动电压、弹簧刚度以及线圈匝数。一定条件下提高激励电压、降低弹簧刚度及减少线圈匝数都有利于电磁阀开启响应加快,而降低维持电压、增大弹簧刚度使得关闭响应加快。仿真结果与参考文献[5]和文献[6]的一些结论一致。该仿真模型对电磁阀的开发和研制具有一定的参考价值。

摘要：对某小型重油发动机电喷系统内部的高速电磁阀,进行了建模仿真与响应分析。先建立该高速电磁阀的数学模型,再用Matlab/Simulink对其仿真。通过对不同输入参数的仿真对比,分析影响电磁阀响应的主要因素,从而确定模型的各项参数,得到该电磁阀的稳定及快速响应。该仿真模型考虑了铁磁材料的磁阻及磁阻变化对电磁力的影响,对电磁阀的开发和研制具有一定的参考价值。

关键词：高速电磁阀,模型,仿真,响应分析

参考文献

[1]方葛文,路瑞松.高速电磁阀动态特性分析.武汉水运工程学院学报,1992;16(4):361—365

[2]蔡珍辉,杨海青,杭勇,等.基于AMES im的高压共轨喷油器的建模及分析.柴油机设计与制造,2008;1(15):4—10

[3]邓东密,邓萍.柴油机喷油系统:机械控制与电子控制.北京:机械工业出版社,2009

[4]贾秋玲,袁冬莉,栾云.基于MATLAB 7.X/S imu link/Stateflow系统仿真、分析及设计.西安:西北工业大学出版社,2006

[5]汪志刚,张敬国,陈勤学.电控柴油机用高速电磁阀的仿真研究.机电设备,2003;(4):22—26

[6]安士杰,欧阳光耀.电控喷油器控制电磁阀理论与试验研究.内燃机学报,2003;21(5):356—360

高速电磁阀篇2

电磁阀是电控喷射系统的核心部件。在增压式电控喷射系统中采用的是两位三通电磁阀。一个用于控制喷油器, 另一个用于控制增压器里面高压喷射与基压喷射之间的转换。因此增压式电控喷射系统的高速电磁阀必须具有强电磁作用力和快速响应等特点。

1 两位三通电磁阀工作原理

在增压式电控喷射系统中, 电磁阀承担着燃油喷射的控制功能和切换功能。电磁阀的快速响应特性是衡量其工作性能的一个重要指标[1]。在电控增压泵中, 两位三通电磁阀的外阀与衔铁连为一体,

并在电磁力的作用下运动;而内阀固定于阀体, 如图1所示。图1中A接基压室, B接控制室, C接油箱。当电磁阀通电时, 电磁力向上, 吸引衔铁向上运动, 出油通道被打开, 进油通道被关闭, 这样控制室在没有燃油补充的情况下, 压力迅速下降, 电控增压泵实现增压;当电磁阀断电时, 阀芯在复位弹簧影响下向下运动, 出油通道被关闭, 进油通道被打开, 增压柱塞实现复位[2]。

2 高速电磁阀的数学模型

通过分析不难发现, 高速电磁阀的数学模型由电路方程、磁路方程和运动方程组成。

2.1 电路方程

由于电磁阀采用的是“E”型结构, 所以可以取“E”型回路进行研究。不考虑温度对电阻的影响和电路中的附加电感, 则电路方程可表达为:

U:线圈励磁电压, RL:电路中的回路电阻, R:电路中的附加电阻, L:电磁阀线圈的电感量。

2.2 磁路方程

由麦克斯韦吸力方程, 可以得出电感线圈产生的吸力:

N:电磁线圈匝数, 准:通过线圈的磁通量, Rm:磁路的总磁阻, 包括三个部分:磁力线经过铁芯的磁阻R1、经过气隙的磁阻Rδ和经过衔铁部分的磁阻R2。

则电磁力的表达式为:

Fe为负值, 表示电磁力的方向和运动方向一致。

2.3 运动方程[3]

两位三通电磁阀的运动方程为

式中, m为动衔铁的质量;KB为瞬态液动力系数;Kf为粘性阻尼系数;KV为稳态液动力系数;k为弹簧刚度;x为动衔铁的位移;x0为弹簧预紧力下弹簧的压缩量。

3 高速电磁阀仿真模型的建立及分析

3.1 高速电磁阀仿真模型

利用Matlab/Simulink软件构件高速电磁阀的响应特性方程组的仿真模型。

3.1.1 电路模型

由电路方程 (1.1) , 构件电磁阀的电路仿真模型如下:

3.1.2 磁路模型

由磁路方程 (1.5) , 电磁阀的磁路仿真模型如图所示。

3.1.3 运动模型

由电磁阀的运动方程 (1.7) , 电磁阀的运动的仿真模型为:

电路模型、磁路模型和运动模型相互联系, 根据它们之间的联系构成电磁阀完整的响应特性仿真模型, 如图5所示。

3.1.4 电磁阀仿真模型的响应特性

图6为电流随时间的变化的仿真结果曲线, 图7为电磁吸力随时间变化的仿真结果曲线, 图8为位移随时间变化的仿真结果曲线, 图9为速度随时间变化的仿真曲线。

从上述四组图仿真结果可以得出, 在48V的驱动电压下, 电磁阀能达到25A的峰值电流。从0.1ms开始给电磁阀供电后, 电磁阀在0.35秒左右就达到了最大的位移, 位移响应时间很短, 为0.25ms。电磁力最大值为270N, 最大运动速度可达1.2m/s。

4 结论

该模型的建立综合了电、磁和机械三部分的非线性方程组, 利用MATLAB中的simulink对电磁阀的数学模型进行了仿真。仿真结果与参考文献[4]一致, 该仿真模型对高速电磁阀的响应特性具有一定的参考价值。

摘要：高速电磁阀在控制系统中的应用越来越广泛, 其响应速度直接影响了系统的性能。本文对增压式电控喷射系统的高速电磁阀结构及数学模型进行研究并建立仿真模型。然后通过运用Matlab软件中的Simulink对电磁阀的数学模型进行仿真, 分析电磁阀的响应特性。

关键词：两位三通电磁阀,Simulink仿真,响应特性

参考文献

[1]王尚勇, 杨青.柴油机电子控制技术[M].北京, 机械工业出版社, 2005.

[2]陈海龙, 欧阳光耀, 王明鹤等.增压式高压共轨系统建模研究[J].车用发动机, 2011, (1) :9-10.

[3]李永堂, 雷步芬, 高雨茁.液压系统建模与仿真[M].北京:冶金工业出版社, 2003.

高速电路的电磁兼容分析与设计篇3

电磁兼容性是指电气和电子系统及设备在特定的电磁环境中,在规定的安全界限内以设定的等级运行时,不会由于外界的电磁干扰而引起损坏或导致性能恶化到不可挽救的程度,同时它们本身产生的电磁辐射不大于检定的极限电平,不影响其他电子设备或系统的正常运行,以达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠地工作的目的[1]。

1 电磁兼容产生的因素

(1) 电阻的频率特性。

在数字电路中,电阻的主要作用在于限流和确定固定电平,在高频电路中,存在于电阻两端的高频寄生电容会对正常的电路特性造成破坏。同样电阻的引脚电感对电路的EMC影响很大[2]。

(2) 电容的频率特性。

电容器一般应用在电源总线,它提供去耦合、旁路和维持固定的直流电压和电流的作用。但是在高频电路中,当电路的工作频率超过了电容的自谐振频率时,其寄生电感将使电容表现为电感特性,从而失去原有的功能并影响电路的工作性能[2]。

(3) 电感的频率特性。

电感器是用来控制PCB内的EMI。当电路的工作频率增加时,电感的等效阻抗会随着频率的增加而增大,当电路的工作频率超过电感的工作频率上限时,电感将会影响电路的正常工作[2]。

(4) 导线的频率特性。

PCB上的走线和元器件的引脚导线都有寄生电感和电容,这些寄生电感和电容会影响到导线的频率特性,从而有可能在元器件和导线之间产生谐振,致使导线成为电磁干扰的重要发射天线。通常,导线在低频段表现为电阻特性,在高频段则表现为电感特性,因此在PCB上,导线的长度一般要求小于工作频率波长的二十分之一,以避免导线成为电磁干扰的发射源。

(5) 静电。

静电放电问题已经成为电子产品的一大公害,可能给产品带来永久性的损坏,因此在产品设计中,必须采取相应的静电防护措施。常用的防静电措施包括选择具有防静电材料,采用电气隔离措施,提高产品的绝缘强度以及设置良好的静电屏蔽层和泄放通道等。

(6) 电源。

随着高频开关电源的广泛应用和电力系统负荷的不断增加,电源对产品的干扰问题逐渐成为影响产品EMC特性的一个重要因素。因此,一些易受干扰的敏感设备已经不直接采用交流供电而改用直流供电,这样虽然增加了系统的复杂性和成本,但是有效提高了系统工作的稳定性。

(7) 雷电。

雷电实质上是一种正负电荷中和的强静电放电过程,由此产生的强电磁脉冲导致各种电子设备受损的主要原因。雷电对电子设备的影响包括直击雷和感应雷两种,现在各种室内使用的电子设备,一般不容易遭受直击雷的影响,但是依然容易受到感应雷的损害。为了确保电子设备的安全运行,必须对电子设备进行防雷击保护。常用的防雷措施包括设置避雷针、安装避雷器和避雷线等。

2 电磁兼容产生的要素

理论和实践的研究证明,不管复杂系统还是简单装置,任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件:存在一定的干扰源、有干扰的完整耦合通道、有被干扰对象的响应。

2.1 电磁干扰源

电磁干扰源指产生电磁干扰的任何元件、器件、设备、系统或自然现象。高频电路对电磁干扰尤为敏感,因而需要采取多种措施来抑制电磁干扰。经过理论与实验分析得知:高频电路中,电磁干扰主要来自以下几个方面:

(1) 器件工作的噪声干扰

(a) 数字电路工作时产生电磁干扰。

(b) 信号电压、电流变化产生的电磁场干扰。

(2) 高频信号噪声干扰

(a) 串扰:是指一个信号在传输通道上传输时,因电磁耦合而对相邻的传输线产生不期望的影响,在被干扰信号表现为被注入了一定的耦合电压和耦合电流。过大的串扰可能引起电路的误触发、时序延时,导致系统无法正常工作。

(b) 回波损耗:当高频信号在电缆及通信设备中传输时,遇到波阻抗不均匀点时,就会对信号形成反射,这种反射不但导致信号的传输损耗增大,并且会使传输信号畸变,对传输性能影响很大。

(3) 电源噪声干扰

PCB中的电源噪声主要由电源自身产生或受扰感应的噪声组成,主要表现为:①电源本身所固有的阻抗所导致的分布噪声;②共模场干扰;③差模场干扰;④线间干扰;⑤电源线耦合。

(4) 地线噪声干扰

由于地线上存在电阻、阻抗,当电流通过地线时,就会产生压降,当电流足够大或工作频率足够高时,这个压降会大到足以对电路造成干扰。地线导致的噪声干扰主要包括地线环路干扰和公共阻抗耦合干扰。

(a) 地线环路干扰:当多个功能单元连接在地线上时,如果地线中的电流足够大,则会在设备间的连接电缆上产生压降。由于各个电路间的电气特性不平衡,每根导线上的电流会不同,因此产生差模电压,从而对电路造成影响。此外外部电磁场也有可能在地线环路中感应出电流,从而导致干扰。

(b) 公共阻抗耦合干扰;当多个功能单元公用同一段地线时,由于地线阻抗的存在,各个单元的地电位之间会发生相互调制,从而导致各个单元信号间相互耦合产生干扰,在高频电路中,电路处于高频工作状态,地线阻抗往往较大,此时的公共阻抗耦合干扰尤其明显。

消除公共阻抗耦合的途径有两个:一个是减小公共地线部分的阻抗,这样公共地线上的电压也随之减小,从而控制公共阻抗耦合。另一个方法是通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线,一般要避免强电电路和弱电电路共用地线,数字电路和模拟电路共用地线。如前所述,减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。这包括使用扁平导体做地线,用多条相距较远的并联导体作接地线。对于印刷线路板,在双层板上布地线网格能够有效地减小地线阻抗,在多层板中专门用一层做地线虽然具有很小的阻抗,但这会增加线路板的成本。通过适当接地方式避免公共阻抗的接地方法是并联单点接地,并联接地的缺点是接地的导线过多。因此在实际中,没有必要所有电路都并联单点接地,对于相互干扰较少的电路,可以采用串联单点接地。例如,可以将电路按照强信号,弱信号,模拟信号,数字信号等分类,然后在同类电路内部用串联单点接地,不同类型的电路采用并联单点接地[3]。

2.2 抑制耦合通道

高速电路中电磁干扰的主要耦合通道包括辐射耦合、传导耦合、电容耦合、电感耦合、电源耦合以及地线耦合等。

对于辐射耦合来说,其主要抑制方法是采取电磁屏蔽,将干扰源与敏感对象有效隔离。

对于传导耦合来说,其主要的方法是在信号布线的时候,合理安排高速信号线的走向。输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行,以免发生信号反馈或串扰,可在两条平行线间增设一条地线加以隔离。对于外连信号线来说,应尽量缩短输入引线,提高输入端阻抗。对模拟信号输入线最好加以屏蔽,当板上信号导线阻抗不匹配时,会导致信号反射,当印制导线较长时,线路电感会导致减幅振荡。通过串入阻尼电阻(阻值通常取22~2 200 hm,典型值为470 hm),可有效抑制振荡,增强抗干扰能力,改善波形。

对于电感、电容的耦合干扰来说,可采用如下两个方面进行抑制:一方面是选择合适的元器件,对于电感电容,应该根据不同元器件的频率特性来选择,对于其他元器件,则应选择寄生电感、电容较小的器件。另一方面是合理地进行布局和布线,要尽量避免长距离平行布线,电路中电气互连点间的布线力求最短。信号(特别是高频信号)线的拐角应设计成45度走向或称圆形、圆弧形,切忌画成小于或等于90度角度形状。相邻布线面导线采取相互垂直、斜交或弯曲走线的形式以减少过孔的寄生电容和电感,过孔和管脚之间的引线越短越好,并可以考虑并联打多个过孔或微型过孔以减少等效电感。选用元器件封装时,应选择标准封装,以减少因封装不匹配而导致的引线阻抗及寄生电感[4]。

对于电源耦合以及地耦合来说,首先应注意降低电源线和地线阻抗,对公共阻抗、串扰和反射等引起的波形畸变和振荡现象需采取必须措施。在各集成电路的电源和地线间分别接入旁路电容以缩短开关电流的流通途径。将电源线和地线设计成格子形状,而不用梳子形状,这是因为格子状能显著缩短线路环路,降低线路阻抗,减少干扰。当印制电路板上装有多个集成电路,且部分元件功耗较大,地线出现较大电位差,形成公共阻抗干扰时,宜将地线设计成封闭环路,这种环路无电位差,具有更高的噪声容限。应尽量缩短引线,将各集成电路的地以最短距离连到电路板的入口地线,降低印制导线产生的尖峰脉冲。让地线、电源线的走向与数据传输方向一致,以提高电路板的噪声容限。尽量采用多层印制电路板,降低接地电位差,减少电源线阻抗和信号线间串扰。当没有多层板而不得不使用双面板时,必须尽量加宽地线线条,通常地线应加粗到可通过3倍于导线实际流过的电流量为宜,或采用小型母线方式,将公共电源线和地线尽量分布于印制板两面的边缘。在电源母线插头处接入1 μF~10 μF的钽电容器进行去耦,并在去耦电容并联一个0.01 μF~0.1 μF的高频陶瓷电容器。

2.3 保护敏感对象

对敏感对象的保护主要集中在两个方面,一方面是切断敏感对象与电磁干扰之间的通道。另一方面就是降低敏感对象的敏感度。

电子设备的敏感度是一柄双刃剑,一方面使用者希望电子装置的灵敏度高,以提高对信号的接受能力;另一方面,灵敏度高也意味着受噪声影响的可能性越大。因此电子设备的敏感度应根据具体情况来确定。

对于模拟电子设备来说,通常采用的方法是采用优选电路,比如设计低噪声电路、减少带宽、抑制干扰传输、平衡输入、抑制干扰及选用高质量电源等。通过这些方法可以有效降低电子设备对电磁干扰的敏感度,提高设备的抗干扰能力。

对于数字式电子设备来说,应在工作指标许可的情况下,采用直流噪声容限高的数字电路,例如CMOS数字电路的直流噪声容限远高于TTL数字电路的直流噪声容限;在工作指标许可的情况下,尽量采用开关速度低的数字电路,因为开关速度越高,由它引起的电压或电流的变化也就越快,从而越容易产生电路间的耦合干扰;在电路可接受的前提下,尽可能提高门槛电压,利用在电路前设置分压器或稳压管的方法来提高门槛电压;采用负载阻抗匹配的措施,即使负载阻抗等于信号线的波阻抗,消除数字信号在传输过程中由于折射和反射的作用而产生的畸变[5]。

通常情况下,对敏感对象的保护需要与对干扰源的屏蔽以及对耦合通道的抑制结合起来使用,并且需要在实践中根据实际情况进行反复实验,以达到最好的防护效果。

3 总结

高速电路板的电磁兼容分析与设计是一个系统性很强的工作,需要大量的工作经验积累。电磁兼容设计是关系电子系统是否能实现功能、满足设计指标的关键之一,随着电子系统的复杂程度增加,工作频率增高,电磁兼容设计在电子设计中的地位将越来越突出,越来越重要。

摘要：设计的线路板首要任务是能够正常工作,但如今PCB板的层数越来越高,厚度越来越薄,线宽、线间距等越来越小,出现电磁干扰等影响印制板的质量的因素层出不穷。基于此主要探讨电磁兼容产生的因素、电磁兼容产生的要素并对相应的解决问题的方法进行详细分析与探讨。

关键词：电磁兼容,高速电路,电磁干扰

参考文献

[1]程路,郑毅,向先波.Protel 99 se多层电路板设计与制作[M].北京:人民邮电出版社,2007.

[2]江思敏.PCB和电磁兼容设计[M].北京:机械工业出版社,2006.

[3]杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[4]区健昌.电子设备的电磁兼容性设计[M].北京:电子工业出版社,2004.

高速开关数字阀的电磁铁设计篇4

高速开关阀是随着汽车中电控燃油喷射系统产生的,它是电喷系统的控制执行器,所有喷射控制功能都是通过此电磁控制阀来实现的,其工作性能直接影响燃油系统的喷射控制特性。由于柴油机电控燃油喷射技术的迫切需要,响应时间小于1ms的超高压高速开关数字阀成为人们竞相研究的一大热点。本文的液压阀所要达到的技术指标:压力P=21MPa,流量Q=6L/min,频响<3ms(333Hz),在此基础上来进行大流量的探索。在高速开关数字阀中电磁铁决定其响应时间的一个重要参数,因此选择高速开关数字阀的电磁铁来进行分析与设计,为相关工程技术人员提供有价值的参考。

1高速开关数字阀中的电磁技术理论

高速开关数字阀的电磁铁可分为线圈、静铁芯及动铁芯三部分,结构型式如图1所示。基本工作原理是:当线圈2通电后,铁芯内部会产生磁通,在磁通的作用下,静铁芯不动,衔铁则会吸合,衔铁的动作可使数字阀阀芯发生联动,使得阀口打开;当线圈断电时,电磁铁的磁性消失,衔铁与阀芯在阀芯复位力作用下释放,关闭阀口。

对于高速开关数字阀来讲,它要求可靠性高且动作频繁,一般不采用交流电磁铁而采用直流电磁铁,这只因为一般螺管型电磁铁的励磁线圈通电而衔铁尚未吸合的瞬间,电流将达到衔铁吸合后额定电流的5～6倍,而通常设计电磁铁时,其额定电流是按照吸合以后的电流确定的,虽然吸合的瞬间电流会很大,但是这个时间很短,吸合的过程只有几毫秒,因此即使吸合过程中电流会比额定电流大很多,但是不会引起铁芯发热。如果衔铁或阀芯卡住不能吸合或者频繁操作时,长时间的保持吸合的电流,交流励磁线圈则严重发热甚至被烧毁。而直流电磁铁的电流不论是吸合前还是吸合后,始终为所设计的额定电流值,即使阀芯或衔铁卡住也不会引起铁芯发热、烧坏线圈。因此从以上吸力特性的角度考虑,本设计决定采用直流电磁铁。

2高速开关数字阀中的软磁合金材料的选用原则

为了研制出高性能的高速开关数字阀,必须选择最合适的软磁合金材料,简称为“三高三低”原则,即具有高饱和磁感应强度BS,高磁导率μ,高电阻率ρ,低剩磁感应强度Br,低矫顽力HC,低材料密度d的软磁合金材料。

1) 高饱和磁感应强度BS,确保了大吸力的要求,同时提高了电磁铁的吸合速度,提高开阀的响应时间。

2) 高磁导率μ,使磁路中磁阻显著减小,从而漏磁大大减小,不仅确保了磁能有效率的提高,而且避免了有效吸力的减小,加快了吸合速度;由于高导磁性,在线圈中通入不大的激励电流,便可产生足够大的磁通和磁感应强度,这就解决了既要磁通大,又要励磁电流小的矛盾。

3) 高电阻率ρ,使电磁铁在磁化和去磁过程中所产生的涡流显著减小,其所产生的反作用磁场显著减弱,则其电磁铁的吸合和释放动作均加快。

4) 低剩磁感应强度Br,更有利于电磁铁的释放,弹簧力也可大幅度减小,这从而又确保了电磁铁较大的有效吸力。

5) 低矫顽力HC,在电磁铁工作气隙处退磁场的作用下使其剩磁Br降至更低,更使其磁导率μ在电磁铁处于释放位置时为极低值,则其电感L值也降到极低值,减小了电磁时间常数,加快了线圈电流的上升速度,进一步确保了电磁铁的动作速度。

6) 低材料密度d,使相同体积的质量很小,在同样的吸力作用下,其动作的加速度就增大,即更进一步提高了电磁体的反应速度。

3高速开关数字阀的电磁计算

首先选择合适的软磁合金材料见表1,11%～14%Al-Fe软磁合金材料正符合高速开关数字阀电磁铁的性能要求,其性能参数为BS=1.4T,高磁导率μ=4H/m,高电阻率ρ=115μΩ·cm,低剩磁感应强度Br=0.2T,低矫顽力HC=3A/m,低材料密度d=6.7g/cm3。

确定电磁铁尺寸,首先要考虑电磁力需要克服多少力,需要分析阀芯的受力。

要将阀芯打开,此时阀芯受力如图2可以分析。油液由②口进入,通过阀套径向油口进入环形容腔a,通过阀芯两侧扁平槽进入容腔d,这样,作用在阀芯上的液压力的有效作用面积SW即为阀座截面积,即

SW=π(Dn/2)2=π/4×D $_{n}^{2}$ =π/4×

(3.4×10-1)2=0.091cm2 (1)

设额定工作压力PN=21MPa,则阀芯上承受液压力FW为

FW=PNPW=21MPa×0.091cm2×

9.8N=183.113N (2)

该作用力方向为使阀口关闭。

由于阀口处于关闭状态,故稳态液动力与瞬态液动力FS=0,Fi=0。

设弹簧力FT=0.98N,方向为使阀口关闭。

由阀芯质量m1=3.85g,得质量力G1=0.3724N,方向为使阀口关闭。

计算时,由于摩擦力很小,故忽略之,可将计算结果适当放大来弥补。

首先来确定动铁芯尺寸,由于开阀时还需克服动铁芯质量力G2,而其尺寸正是需要来求解的,故先估计铁芯最关键的尺寸即动铁芯直径d2=20mm,其厚度设为5mm,其与阀芯连接部分可根据强度要求估计(图2)。由此,经建模得其质量m2=14.85g,得质量力G2=1.4308N,方向为使阀口关闭。

这样,开阀时电磁力需要克服的力FH为液压力FW,弹簧力FT,阀芯质量力G1及动铁芯质量力G2的合力,即

FH=FW+FT+G1+G2=185.8962N (3)

计算电磁吸力F,此时采用麦克斯韦电磁吸力公式,

F=∫SB2ds/2μ0 (4)

对于本数字阀电磁铁考虑吸力的圆积分面上的磁通几乎全是均匀的,且其磁力线的方向都垂直于动铁芯截面,则可简化为

F=B2SS/2μ0=[10.2×10-16/(2×0.4π×10-8)]·

B2SS=(BS/4963)2S (5)

其中:BS——材料的饱和磁感应强度(T);

l——线圈导线的总长;

Sd——线圈导线的截面积;

由式(6)可知,电磁吸力F为:

F=(BS/4963)2=(14000/4963)2×π/4×

(20×10-1)2×9.8=245N (6)

看来动铁芯直径d2=20mm可以产生足够的电磁力将阀芯打开,动铁芯的最大加速度ao为,

$a_{o} = \frac{F - F_{Η}}{m_{1} + m_{2}} = \frac{(25 - 18.969) \times 9.8}{(3.85 + 14.85) \times 10^{- 3}} =$

3.16×103m/s2 (7)

则由阀芯行程L=0.5mm=0.5×10-3m,得开阀时间to为

$t_{o} = \sqrt{\frac{2 L}{a_{o}}} = \sqrt{\frac{2 \times 0.5 \times 10^{- 3}}{3.16 \times 10^{3}}} \times 10^{3} = 0.563$ ms (8)

若电磁吸力F消失,则阀芯在质量力G1+G2与弹簧力FT与稳态液动力FS合力作用下关阀,瞬态液动力是造成阀芯工作不稳定的因素之一,但其数值所占比重不大,故可忽略不计。

由于释放初始,阀芯开口度最大,方向使阀口关闭,稳态液动力FS此时最大其值可根据式(5)求得

FS=(0.65×0.1×π×3.4×10-3×sin150°)×

0.5×10-3×4×105N×9.8=0.6958N (9)

阀芯关闭最大加速度

$\begin{array}{l} a_{C} = \frac{G_{1} + G_{2} + F_{Τ} + F_{S}}{m_{1} + m_{2}} = \\ \frac{(0.038 + 0.146 + 0.2 + 0.071) \times 9.8}{(3.85 + 14.85) \times 10^{- 3}} = 238.449 m / s^{2} (10) \end{array}$

则关阀时间

$t_{C} = \sqrt{\frac{2 L}{a_{C}}} = \sqrt{\frac{2 \times 0.5 \times 10^{- 3}}{238.449}} \times 10^{3} = 2.048$ ms (11)

类似的,可计算其他动铁芯直径下的性能值,如表2所示。

综合考虑,选择铁芯直径d2=20mm。

下面计算外筒尺寸。根据尽可能减少漏磁通,确保必需的线圈安装空间等要求来确定其内径D内,外径D外。静铁芯外径为20mm,为确保线圈的安装空间,可设外筒静铁芯内径D内=35mm,可增加静铁芯与外筒长度的方法来扩大线圈安装空间,但这会增大平均磁路长度 $\bar{l}$ 。

外筒外径D外可根据外筒的截面积应等于动铁芯的截面积来确定

π/4·(D $_{外}^{2}$ -D $_{内}^{2}$ )=π/4·d $_{2}^{2}$ (12)

D外 $= \sqrt{d_{2}^{2} + D_{内}^{2}} = \sqrt{20^{2} + 35^{2}} = 40.3$ mm (13)

根据工程设计要求,在短时工作时其容许电流为(13～30)A/mm2,取30A/mm2,选直径0.5mm的漆包线,其截面积S线=π/4·0.52=0.196mm2,其线圈的容许的最大电流Im=30×0.196=5.88A,但对与高速开关数字阀的几毫秒响应时间的特殊情况,其最大电流可放大。

设线圈骨架壁厚2mm,静铁芯直径20mm,则绕线最小直径24mm,且外筒内径D内=35mm,则线圈的平均直径

$\overset{—}{D} = (24 + 35) / 2 = 29.5$ mm (14)

平均周长

$\overset{—}{L} = π \cdot 29.5 = 92.677$ mm (15)

设线圈匝数N=100匝,则其导线总长

L=100×92.677mm=9.2677M (16)

由铜导线的电阻率ρV=0.018Ω·mm2/m,可得线圈

R=ρV·L/S线=0.018×9.2677/0.196=0.851Ω (17)

平均磁场强度H(A/m)为

$Η = 0.4 π Ν Ι / \bar{l} (18)$

若平均磁路长度l越长,则平均磁场强度H越小;而 $\bar{l}$ 越小,电感L越大,故综合应考虑。

选取 $\bar{l} = 100$ mm,I=10A,N=115匝,则H=145A/m,而材料达到饱和磁感应强度BS的磁场强度H=(100～140)A/m。从而电磁铁完全能够达到饱和磁感应强度。

由于为平衡动铁芯的受力,将油液引至动铁芯上部即动、静铁芯间的气隙中,在开阀的过程中,必须及时将其中的油液排出,以防止气隙中的油液对动铁芯的运动产生阻碍。气隙中油液

Vδ=π/4·d $_{2}^{2}$ ·δ=π/4×202×0.5mm3=

1.571×10-4L (19)

在保证在开阀时间即0.5ms内将其全部排出,即流量

Qδ=1.571×10-4L/0.5ms=18.852L/min (20)

为保证回油通畅,将回油速度设定在vδ=3m/s,则n个排液孔直径dδ应满足

n·π/4·d2·vδ≥Qδ (21)

满足不等式的取值如表3所示。

根据其他尺寸,得出孔的间隙,由此先直观的选出一组数据。如图3所示。

根据图3来直观判断,选择9或12两组孔间隙适中,本设计选择9个直径4mm的排液孔,然后再应力分析。

4高速开关数字阀的电磁结构设计

根据以上计算,为优化结构,综合考虑以上分析,设计的高速开关数字阀的电磁铁部分图样如图4所示。

高速开关数字阀电磁铁部分装配元件清单如表4所示。

遵循前面分析的原则、计算之外,本设计的电磁铁在结构上做了一些优化:

1) 电磁铁内部设置隔磁环7(非磁性材料)[图4(a)],一方面可以起密封作用,防止油液进入线圈;二是其最重要的作用在于防止磁通回路不经过动铁芯,而直接经外筒与动铁芯短接;

2) 排液孔所在螺纹处倒角(3×60°),可以使回油更通畅;

3) 为防止线圈过热烧坏线圈骨架,材料采用电木,以往设计通常采用塑料,耐温性能较差。

5结语

随着社会的不断进步,电液控制技术的发展在不断进步,本文正是在适应电液控制技术的发展的情况下,并结合数字阀的实际应用出发,详细论述高速开关数字阀中的电磁铁部分的设计,理论结合实际设计要求,且力求在理论研究的过程中展开液压数字阀的设计过程,使得各项性能满足所设定的目标,同时还保证了所设计的数字阀具有相当的先进性。

参考文献

[1]张秀英,王晓华.数字阀的开发与应用[J].液压与气动,2001(3).

[2]赵晓燕,张胜昌,许仰曾.数字阀的优化设计研究[J].机床与液压,2004(10).

[3]衣超,韩颜莹.数字式大流量压力控制阀设计研究[J].液压与气动,2005(11).

[4]Alexa D.Resonant Circuit with Constant Voltage Applied on theClamp Capacitor for Zero Voltage Switchings of Power Converters.Electrical Engineering,1995,78(3):169-174.

高速电磁阀篇5

关键词：调频同步广播,台站共址,电磁辐射,功率密度,公众照射,职业照射

由于汽车的普及,车上配备的调频接收终端成为各级广播经营者竞相追逐的高端服务对象。调频同步广播以同一频率实现连续覆盖。在全省范围内,可使驾乘者在不更换频率的情况下连续收听同一节目,达到疏导大众交通,享受驾乘乐趣的目的。

1 项目基本情况

根据广电规划院提供的《贵州交通广播节目调频同步广播网规划咨询研究报告》,贵州广播电视台将在贵州省范围内G75、G60等国家高速公路沿线和省高速沿线等市县建设50个调频同步站点。其中,10个台址利用原有系统内的广电发射台为平台进行建设,其余的40个台站与移动通信基站共址。

2 环境评价的适用标准

在项目建设中分为通讯和广电两类台站,工作频段都在30～3000MHz的范围内。

3 工程前期理论计算和预测

根据《辐射环境保护管理导则——电磁辐射监测仪器和方法》(HJ/T10.2-1996)中推荐的计算模式进行电场强度的计算。对于电视、调频的超短波在环境中辐射场强公式为:

式中:E—电场强度,mV/m;

P—发射机标称功率,kW;

G—相对于半波偶极子(G0.5λ=1.64)天线增益倍数;

r—预测点与天线水平距离,km;

F(θ)一天线垂直面方向性函数。

此外,图1给出了FM调频广播天线的垂直面方向变化趋势。

辐射功率进行叠加计算。P∑=∑Pi·Gi,其中,i为发射塔上发射机天线套数。

天线增益的单位转换公式为:G=10G(dB)/10(倍数)

表1给出了761台的相关参数和综合等效辐射功率计算结果。

从表2可以看出,新增的交通广播调频同步发射设备,安装在规划站点中最大发射台761台内。只要离发射点距离170m,功率密度为19.092 (μW/cm2),符合预设管控目标。

而对于规划中的其他站点因复合功率远远小于761台,公众照射的电磁环境的预管控目标按功率密度为8 (μW/cm2)管控。同理,预计算出单个交通广播设备的电磁辐射状态如下表

根据表3的理论计算预测结果,交通广播发射台的电磁环境影响随距离总体上呈逐渐减小的规律。在距离天线水平距离37m处的功率密度为7.6759μW/cm2可以满足管理目标值8μW/cm2,符合国家标准。

4 工程建设后的实际测试

根据贵州省环境保护厅对广电通讯类项目的指导性意见,我台委托具备甲级环保测评资质的苏州热工研究院环境检测中心于2013年8月14～20日对本项目21个交通广播发射台周围的电磁环境采用Narda SRM3000选频测量检测仪进行了检测,抽测比例为42%。

5 电磁环境影响

5.1 与移动基站共址

据抽测结果分析:与移动通信基站共址发射台的检测最大值为0.6185(μW/cm2),出现在G60高速公路旁剑河麻栗坡山顶的移动通讯基站北方向228m处,其最大检测结果均满足HJ/T10.3-1996中的管理目标值8(μW/cm2)。由此可见,本项目与移动通信基站共址的发射台对周围电磁环境影响较小,在可以接受的范围内。

5.2 与广电台站共址

761台为交通广播建设项目中与广电发射台共址的规模最大的省广电局直属台站,其台区场界范围内47～2500MHz频段范围的最大检测值为25.7982μW/cm2,虽然不满足预设的环境管控目标值,但该台站有明确的台址场界,有专人值班,公众无法到达。

6 总结

【高速电磁阀】推荐阅读：

双电磁阀07-22

电磁干扰和电磁兼容05-16

电磁兼容与电磁干扰09-21

电磁保护07-16

电磁机械05-15

电磁调速05-26

电磁现象06-18

电磁问题06-27