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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構及工作原理，分析了傳統(tǒng)電磁閥的不足，提出了一種新型節(jié)能直流電磁閥的結構及工作原理，并為改善性能而作出的關鍵技術進行了創(chuàng)新設計，使產品更趨于結構合理，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)中調整介質的方向、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.結構原理
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)直流電磁閥的結構如圖1所示。
其工作原理是：當線圈通電時，線圈產生磁場，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）采用雙線圈結構和在外部設置延時斷路機構
傳統(tǒng)的直流電磁閥線圈采用單線圈結構，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構，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，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。
當電磁閥需要打開時，延時斷路機構處于通路狀態(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。當延時斷路機構動作時，外接延時斷路機構為開路狀態(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，此結構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.結束語
采用雙線圈的結構，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)中調整介質的方向、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.結構原理
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)直流電磁閥的結構如圖1所示。
其工作原理是：當線圈通電時，線圈產生磁場，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）采用雙線圈結構和在外部設置延時斷路機構
傳統(tǒng)的直流電磁閥線圈采用單線圈結構，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構，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，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。
當電磁閥需要打開時，延時斷路機構處于通路狀態(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。當延時斷路機構動作時，外接延時斷路機構為開路狀態(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，此結構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.結束語
采用雙線圈的結構，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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