近零泄漏型燃氣電磁閥設(shè)計方案探討

江 宇 謝 誼 黃遜青 黃澤典 甘嬋芳

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

隨著人們生活水平的提高，對家用燃熱產(chǎn)品的性能及安全性的要求也越來越高，這要求燃氣具產(chǎn)品，從整機到零配件，都需要進行技術(shù)提升。電磁閥是燃氣具行業(yè)控制燃氣通斷的核心執(zhí)行元件，根據(jù)燃燒工況需求，及時對燃氣進行通斷控制。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，燃氣電磁閥的結(jié)構(gòu)有了一定的改善，各種新工藝也不斷涌現(xiàn)。比如采用倒扣型導磁支架，減少一塊導磁板；或者在線圈組件上，采用了環(huán)氧樹脂膠帶或二次塑封工藝，對線圈進行保護[1]。

燃氣具氣路及其配件內(nèi)充滿天然氣、液化氣、人工氣等易燃易爆氣體，一旦泄露，可能造成嚴重的人員財產(chǎn)損失[2-3]，因而燃氣具的安全性、可靠性一直是產(chǎn)品質(zhì)量提升的重點。現(xiàn)行的改善措施雖然能夠?qū)﹄姶砰y起到一定的保護作用，但僅停留在電磁閥的外圍，并沒有在本質(zhì)上改善電磁閥的密封性，泄漏風險始終存在[4]。

為解決燃氣電磁閥存在的氣密性問題，本文提出一種新的電磁閥結(jié)構(gòu)，新型電磁閥采用一體成型筒體結(jié)構(gòu)，取消了原有電磁閥中復雜的密封結(jié)構(gòu)，大大提高電磁閥的密封性和可靠性。

1 設(shè)計方案

1.1 設(shè)計方案概述

產(chǎn)生泄漏需要兩個條件，一是相鄰結(jié)合面間有間隙，二是需要密封的兩側(cè)存在一定的壓力差。消除任何一個因素，均可阻止泄漏[5]。對燃氣電磁閥而言，常用的辦法是采用橡膠密封圈，堵塞泄漏通道，消除結(jié)合面間隙。

圖1所示的目前市場上常見的電磁閥結(jié)構(gòu)，其上部區(qū)域為燃氣側(cè)，內(nèi)部充滿可燃氣體，下部區(qū)域為空氣側(cè)，直接與空氣接觸。為保證電磁閥氣密性，必須在燃氣側(cè)和空氣側(cè)的邊界阻斷燃氣傳輸。為此，常規(guī)電磁閥設(shè)置了多個密封圈，保證電磁閥氣密性。

新型燃氣電磁閥結(jié)構(gòu)如圖2，與傳統(tǒng)電磁閥不同的是，采用了一體成型的筒型零件，利用筒型零件的底部和壁面將燃氣與空氣隔開，從而達到防止燃氣泄漏的作用。

1.2 優(yōu)缺點分析

與傳統(tǒng)燃氣電磁閥相比，新型電磁閥具有以下優(yōu)勢：

1）使用一體成型的筒型零件，取消了傳統(tǒng)電磁閥的密封圈，簡化了電磁閥結(jié)構(gòu)；

2）筒型零件一體成型，氣密性好，大大降低了電磁閥泄漏的風險；

3）新型電磁閥零件數(shù)目比傳統(tǒng)電磁閥減少了40 %，并取消了導磁架和導磁板之間的鉚接工藝，裝配難度降低。

當然，新型電磁閥也存在一定的缺點，主要體現(xiàn)在零件精度高，對生產(chǎn)及裝配工藝要求也較高。

1.3 設(shè)計課題概述

從新型燃氣電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖（圖2）上可以發(fā)現(xiàn)，采用了一體成型的筒型零件后，電磁閥動鐵芯、靜鐵芯的形狀均需要改變。而新的動、定鐵芯結(jié)構(gòu)改變了電磁閥氣隙，為此必須對磁路進行重新設(shè)計。

2 設(shè)計分析

2.1 力學分析

圖3是燃氣電磁閥安裝示意圖，電磁鐵動鐵芯一端設(shè)置于套筒零件內(nèi)部，另一端連接密封帽，通過彈簧，將密封帽壓在閥口上，實現(xiàn)密封；電磁鐵動鐵芯、靜鐵芯之間為磁路的主氣隙，當線圈通電時，動鐵芯帶動密封帽，克服彈簧反力，向靜鐵芯方向移動，進而打開閥門。

套筒零件一方面隔絕燃氣，另一方面在動、靜鐵芯之間承擔隔磁作用，使電磁閥在斷電時在彈簧力作用下迅速復位。

電磁閥工作時閥芯受力情況如圖4。

式中：

Fk—彈簧提供的彈力，N；

G—密封帽和動鐵芯的重力，N；

Fe—電磁力，N。

因其受到的反力主要是彈簧力，其反力特性曲線為圖5。

圖1 常規(guī)電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 新型電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 電磁閥安裝示意圖

為實現(xiàn)電磁閥順利開啟與關(guān)閉，必須根據(jù)其反力特性，設(shè)計合適的電磁鐵結(jié)構(gòu)，使得電磁鐵吸力特性曲線在開啟時能克服反力的負功。

2.2 電磁學分析

針對本文提出的新型電磁閥基本結(jié)構(gòu)，對電磁鐵結(jié)構(gòu)尺寸進行設(shè)計。

為達到較好的經(jīng)濟性，可根據(jù)美國學者Roters提出的電磁鐵結(jié)構(gòu)因數(shù)選擇合適的電磁鐵結(jié)構(gòu)[6]。電磁鐵結(jié)構(gòu)因數(shù)定義如下：

式中：

F—有效行程初始位置電磁力，N；

δ—有效行程，cm；

根據(jù)輸入條件，按最大氣隙計算電磁閥結(jié)構(gòu)因數(shù)K，按圖6[7]選擇合適的磁感應(yīng)強度。

根據(jù)經(jīng)驗，由圖中得到的磁感應(yīng)強度比實際偏大，因此，最終確定磁感應(yīng)強度B應(yīng)比圖中選擇的偏小。

根據(jù)麥克斯韋方程可以得到電磁吸力方程：

通過電磁力方程可推算出鐵芯有效端面截面積為：

有效直徑：

式中

φ—磁通量，Wb；

B—磁感應(yīng)強度，T；

μ0—真空磁導率，μ0=4π×10-7H/m；

S—有效截面積，m2；

D—有效直徑，m；

下面通過磁路分析[8]來確定電磁鐵所需要的安匝數(shù)，圖7是電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖，圖8是電磁鐵的等效磁路。

忽略漏磁通和鐵芯磁飽和的影響，磁導主要由三個部分組成，第一部分是動鐵芯和導磁環(huán)之間的磁導G0，第二部分是動鐵芯底部與定鐵芯凹面的磁導Gb，第三部分是動鐵芯與定鐵芯直壁的磁導Gg。

動鐵芯和導磁環(huán)之間的磁導：

圖4 電磁閥受力分析圖

圖5 電磁閥反力特性曲線

圖6 結(jié)構(gòu)因數(shù)與磁感應(yīng)強度的關(guān)系

動鐵芯底部與定鐵芯凹面的磁導：

動鐵芯與定鐵芯直壁的磁導：

總磁導為：

式中：

R—動鐵芯半徑，mm；

h—導磁環(huán)高度和導磁板厚度之和，mm；

d—動軸與導磁板之間的間隙，mm；

δ—電磁閥額定行程，mm；

x—動鐵芯移動的距離，mm；

根據(jù)計算，需要由線圈提供的磁通量為：

則磁勢為：

確定磁勢后，即可以對線圈進行設(shè)計。

線圈內(nèi)徑為：

式中：

Rj—靜鐵芯半徑，mm；

t1—靜鐵芯與線圈骨架的單邊間隙，mm；

b1—線圈骨架厚度，mm；

根據(jù)經(jīng)驗，初步選取線圈內(nèi)徑與外徑的比值為0.56，則線圈外徑為：

根據(jù)電壓方程確定產(chǎn)生足夠電動勢的導線直徑、線圈匝數(shù)、線圈電流等參數(shù)。

線圈電壓方程：

式中：

U—額定電壓，V；

I—電流，A；

Rx—線圈電阻，

N—線圈匝數(shù)，匝；

ρx—線圈電阻率，Ω·mm2/m；

圖7 電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 電磁鐵磁路示意圖

Dx—線圈平均直徑，mm；

qx—單根銅導線截面積，mm2；

單根銅導線直徑為：

線圈長度為：

式中

P—線圈工作制，長時間工作時P=1；

fk—線圈填充系數(shù)；

bx—線圈寬度，mm；

θ—線圈最高允許溫升，K；

則線圈匝數(shù)為：

通過以上計算，初步得出電磁鐵的基本參數(shù)。其他參數(shù)，如線圈骨架其他部分的厚度、安裝位置尺寸、動鐵芯安裝口尺寸等可按常規(guī)電磁閥設(shè)計方法得到，此處不再詳細說明。

2.3 設(shè)計驗證

試制后對電磁閥進行測試，將電磁閥安裝在測試工裝上，保證其裝閥深度，向電磁閥通入一定壓力的空氣，測試閥門開啟和關(guān)閉時的線圈電壓。經(jīng)測試開閥電壓約15.5 V，釋放電壓約5.5 V，符合設(shè)計要求。

電磁鐵吸合時的電磁力隨輸入電壓變化如圖9，隨輸入線圈的電壓增加，電磁力增加。

電磁鐵行程力曲線如圖10，隨著動鐵芯從吸合位置遠離靜鐵芯，電磁力呈現(xiàn)先下降、再維持穩(wěn)定，最終再下降的趨勢。

對電磁閥進行耐久測試，檢驗電磁閥長時間工作后電磁性能的變化。測試時，向電磁線圈中通入24 V電壓維持2 s，斷開電源維持2 s，此過程循環(huán)一次記為1個開關(guān)閥周期，輸入電壓示意圖如圖11。測試過程中，每10萬個循環(huán)測試一次開關(guān)閥性能和氣密性。開關(guān)閥性能測試結(jié)果如圖12。閥體泄漏量保持在5 ml/h以下。新型電磁閥電氣性能穩(wěn)定，氣密性優(yōu)良。

圖9 電磁鐵“電壓-力”曲線

圖10 電磁鐵“行程-力”曲線

圖11 耐久測試電壓輸入示意圖

圖12 電磁鐵性能隨測試次數(shù)變化曲線

2.4 討論

在電壓-力曲線中，電磁力隨著輸入電壓的增加而增加，根據(jù)電磁力計算公式，隨著電流（電壓）增加，電磁力應(yīng)按照平方的趨勢增加，然而，在測試結(jié)果中并沒有明顯表現(xiàn)出來。這主要是由于測試過程參數(shù)設(shè)定帶來的，測試中使用的是固定電壓輸入，電流在其中只是一個間接量。根據(jù)歐姆定律可以計算出電流值，然而，隨著測試的進行，線圈開始發(fā)熱，電阻增加，電流下降，造成實際輸入電磁鐵的安匝數(shù)下降，曲線也隨著下降。

在行程-力曲線中，電磁鐵吸力呈現(xiàn)了降低-維持-降低的趨勢。這是由電磁鐵磁路變化特性決定的。簡單而言，定鐵芯的特殊結(jié)構(gòu)使得磁路分為兩個支路G1、G2，其中G1經(jīng)靜鐵芯底部與動鐵芯底部，G2經(jīng)靜鐵芯直壁和動鐵芯底部。其中G1產(chǎn)生的磁力隨行程的增加而下降，G2產(chǎn)生的磁力隨行程增加先增加后下降，最終綜合得到了降低-維持-降低的行程-力曲線。

從測試結(jié)果上看，電磁閥性能優(yōu)良，經(jīng)過百萬次測試后電磁性能（由開關(guān)閥電壓體現(xiàn)）無明顯變化。此外，新型電磁閥采用套筒隔絕氣體，試驗結(jié)果表明套筒零件的可靠性高，氣密性良好。

3 結(jié)論

由于新型燃氣電磁閥利用一體成型筒體結(jié)構(gòu)，使得在氣密性方面具備了本質(zhì)安全的特征，常規(guī)結(jié)構(gòu)所配備的部分密封結(jié)構(gòu)可以省略。初步的設(shè)計驗證表明，新型電磁閥的氣密性得到顯著改善，外部泄漏率接近為零，安全性顯著提高；同時運行性能能夠長期保持穩(wěn)定，具備高可靠性的優(yōu)勢，在經(jīng)過100萬次動作的耐久性試驗之后，主要技術(shù)性能基本保持不變。

由于新結(jié)構(gòu)改變了原有的力學和電磁學設(shè)計要求，在新型電磁閥設(shè)計過程中進行的一系列的研究和驗證，形成了與新結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的設(shè)計規(guī)范，隨著設(shè)計和驗證工作的深入，相關(guān)的設(shè)計規(guī)范將逐步完善。通過新方案的實施，為燃氣電磁閥的開發(fā)指出了新的開發(fā)思路，對提升電磁閥質(zhì)量和可靠性具有重要意義。