CN104485196A - 一种低温升大推力直流电磁铁 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种低温升大推力直流电磁铁，属于电控阀门元件技术领域。该电磁铁，包括直流电源输入端、线圈、衔铁、铁芯，所述的电源正极连接至线圈的输入极，线圈的输出极和电源的负极之间连接有MOS场效应管，开断的三级管Q1为MOS场效应管提供触发电压，三级管间断的导通和截止，使MOS场效应管工作在通断状态，加在线圈两端的电压为一定占空比的脉冲，使线圈在衔铁维持状态时电流较电磁铁启动时的电流降低。本发明可实现直流电磁铁的大推力低温升。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁铁，特别涉及一种低温升大推力直流电磁铁，属于电控阀门元件技术领域。
背景技术
传统的普通直流电磁铁在使用中，得电开启时，往往由于阀芯卡死、不灵活或电磁铁推力不足，引起阀芯未动造成动作异常，在闭合时推力大而存在不必要的功耗，造成温升较高，电磁铁在刚开启做功时，由于气隙大而推力小，做功后气隙小而推力大但不做功，由于开启与维持时用同一电源，因此在衔铁闭合维持时，尽管不做功，仍有与开启时相同的较大电流来维持推力，对作用力来说，该闭合点处力过量，造成在使用过程中温升较高，功耗较大。
现有的24V直流电磁铁由于受温升的制约，无法实现较大推力。
在液压阀控制中，常用的直流小通径电磁铁的成本较通径大的成本低、体积小、安装方便，但小通径电磁铁的的F-S曲线无法满足大通径电磁铁的要求，如果能够通过技术创新使小通径的电磁铁能够达到大通径电磁铁的F-S曲线要求，则液压阀配置电磁铁的成本会降低很多。
发明内容
本发明的目的之一在于克服现有技术中传统的普通直流电磁铁在维持状态时电流大、温升高的缺陷，提供一种低温升的电磁铁，目的之二在于提供一种较传统的24V电磁铁启动推力大、温升低的电磁铁，目的之三在于是提供一种小通径的电磁铁替代大通径的电磁铁的技术方案。
为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：一种低温升大推力直流电磁铁，包括直流电源输入端、线圈、衔铁、铁芯，所述的电源正极连接至线圈的输入极，线圈的输出极和电源的负极之间连接有MOS场效应管，三极管Q1的发射极连接在电源的正极上，三极管Q1集电极连通在MOS场效应管的栅极上，三极管Q1的基极上连接多谐振荡电路的输出，所述的多谐振荡电路上连接有延时电路，电源接通电磁铁开启时，三级管Q1导通后提供MOS场效应管的触发电压，MOS场效应管导通，加在线圈两端的是正负极之间的电压，线圈中产生大电流以产生启动时的推力，多谐振荡电路经过延时电路延时后发出一定频率及占空比的脉冲至三极管Q1的基极，脉冲高电位时，三极管Q1处于截止状态，MOS场效应管失去触发电压，在脉冲低电位时，三级管Q1导通，MOS场效应管得到触发电压， MOS场效应管在多谐振荡电路的作用下栅极不断的得到和失去触发电压，使MOS场效应管工作在通断状态，加在线圈两端的电压为一定占空比的脉冲，使线圈在衔铁维持状态时电流较电磁铁启动时的电流降低，进一步的，所述的电磁铁为24V电磁铁，电池铁线圈的铜漆包线的直径为0.45mm至0.65mm，线圈的匝数在500-800之间，激励磁势在2800-3500安*匝，进一步的，所述的电磁铁的衔铁头部为锥形，锥形头部与衔铁外表面之间设置有台阶，锥形头部的竖截面为沿衔铁中心线对称的等腰梯形，等腰梯形的底角在55度至70度之间，等腰梯形的底边长度为衔铁直径的0.8-0.9倍，铁芯与衔铁的结合处为与衔铁锥形头部和台阶相对应的锥形腔和平面部，进一步的，所述的多谐振荡电路包括IC7555模块，整流后的直流电源经串联的电阻R01、电阻R02分压后为IC7555模块供电，IC7555模块的1脚连接在电阻R01的低电位端，8脚连接在电阻R01的高电位端，IC7555由8、7脚电和电阻R04、2/6脚与7脚和电阻R03、2/6脚与1脚和电容C02形成一定频率及占空比的脉冲，其中8脚连在电源的正极，电阻R04的第一端连在电源的正极，第二端连在7脚，电阻R03的第一端连在7脚，第二端连在电容C02第一端上，6脚和2脚连接在电阻R03第二端，电容C02的第二端连接在电阻R01的低电位端，进一步的，所述的多谐振荡电路包括IC7555模块，整流后的直流电源经串联的电阻R01、电阻R02分压后为IC7555模块供电，IC7555模块的1脚连接在电阻R01的低电位端，8脚连接在电阻R01的高电位端，所述的多谐振荡电路上连接的延时电路为：电阻R05的第一端连在电源正极上，第二端连接电容C03的第一端，电容C03的第一端连在多谐振荡电路的置位/复位脚4脚上，电容C03的第二端连接在IC7555模块的1脚上，与电容C03并联设置有电阻R06，通电时，电源通过电阻R05向电容C03充电，当电容C03的电压高于4脚的置位/复位电压时，触发多谐振荡电路发出一定频率及占空比的脉冲，当电路断电时，电容C03通过与其并联的电阻R06放电，进一步的，在MOS场效应管两端并接相互串联的电阻R13、电容C11形成吸收电路，进一步的，所述的IC7555模块的4脚和1脚之间设置有二极管D06用于保证IC7555模块4脚复位正常开启电压，8脚和1脚间接稳压二级管D05，用于IC7555工作电源稳压，进一步的，与线圈并列设置方向相反的稳压二极管D22、整流二极管D21用于续流和衰减控制，两个二极管的正向端分别连接在线圈两端，进一步的，直流的输入端首先连接至桥式整流电路后正极连接到线圈的输入极。
本发明的积极有益技术效果为：本发明电磁铁开启时采用全电压，线圈中通过的电流大，满足启动时的推力要求，开启后维持时，经过延时电路的多谐振荡器发出的脉冲时MOS场效应管的栅极交替处于高低电位，MOS管交替工作在通断状态，使加在线圈两端的电压为一定占空比的脉冲电压，通过线圈中的电流相应大大降低，电磁铁在维持状态时的发热温升显著降低，达到降低温升的效果。在磁芯一定的情况下，合理增大线圈漆包线的线径，调整线圈的匝数，能够获得较高的激励磁势，提高电磁铁的推力，在同样24V的启动电压下获得较传统24V直流电磁铁2倍以上的推力，由于采用了在维持时低电流的技术方案，电磁铁在维持状态的温升能够满足要求，低于传统的启动和维持采用相同电流的24V电磁铁的工作温升，在调整线圈漆包线的线径、调整线圈的匝数获得较高的激励磁势提高24V电磁铁的推力的近2倍的基础上，设计衔铁的头部为合理的锥形，铁芯与衔铁的配合部位为锥形腔，能够优化电磁铁的F-S曲线，使小电磁铁在相应的行程点上能够满足大电磁铁在该行程点上的力的要求，使小通径的电磁铁能够实现大通径的电磁铁的F-S曲线，具体的说，通过调整漆包线线径、匝数以及改变衔铁头部形状，可以使24V的六通径的电磁铁达到十通径电磁铁的F-S曲线要求，使小电磁铁替代大电磁铁成为现实，可显著的降低液压阀电磁铁的成本，取得显著的经济效益。
附图说明
图1是本发明的电原理图。
图2是本发明的低温升大推力一种电磁铁示意图。
图3是本发明的低温升大推力另一种电磁铁示意图。
图4是图3所示的电磁铁衔铁和铁芯的示意图。
图5是三个24V电磁铁的F-S曲线及对比图。
图6为本发明直流电磁铁开启和维持时的电压电流波形示意图。
具体实施方式
为了更充分的解释本发明的实施，提供本发明的实施实例。这些实施实例仅仅是对该装置的阐述，不限制本发明的范围。
如附图1所示，图1中从电源输入至线圈之间构成本发明的控制电路。一种低温升大推力直流电磁铁，包括直流电源输入端、线圈、衔铁、铁芯，直流的输入端首先连接至桥式整流电路后，正极连接到线圈的输入极，线圈的输出极和电源的负极之间连接有MOS场效应管，三极管Q1的发射极连接在电源的正极上，三极管Q1集电极连通在MOS场效应管的栅极上，三极管Q1的基极上连接多谐振荡电路的输出，所述的多谐振荡电路上连接有延时电路，电源接通电磁铁开启时，三级管Q1导通后提供MOS场效应管的触发电压，MOS场效应管导通，加在线圈两端的是正负极之间的电压，线圈中产生大电流以产生启动时的推力，多谐振荡电路经过延时电路延时后发出一定频率及占空比的脉冲至三极管Q1的基极，脉冲高电位时，三极管Q1处于截止状态，MOS场效应管失去触发电压，在脉冲低电位时，三级管Q1导通，MOS场效应管得到触发电压， MOS场效应管在多谐振荡电路的作用下栅极不断的得到和失去触发电压，使MOS场效应管工作在通断状态，加在线圈两端的电压为一定占空比的脉冲，使线圈在衔铁维持状态时电流较电磁铁启动时的电流降低，多谐振荡电路包括IC7555模块，整流后的直流电源经串联的电阻R01、电阻R02分压后为IC7555模块供电，IC7555模块的1脚连接在电阻R01的低电位端，8脚连接在电阻R01的高电位端，IC7555由8、7脚电和电阻R04、2/6脚与7脚和电阻R03、2/6脚与1脚和电容C02形成一定频率及占空比的脉冲，其中8脚连在电源的正极，电阻R04的第一端连在电源的正极，第二端连在7脚，电阻R03的第一端连在7脚，第二端连在电容C02第一端上，6脚和2脚连接在电阻R03第二端，电容C02的第二端连接在电阻R01的低电位端，的，所述的多谐振荡电路包括IC7555模块，整流后的直流电源经串联的电阻R01、电阻R02分压后为IC7555模块供电，IC7555模块的1脚连接在电阻R01的低电位端，8脚连接在电阻R01的高电位端，所述的多谐振荡电路上连接的延时电路为：电阻R05的第一端连在电源正极上，第二端连接电容C03的第一端，电容C03的第一端连在多谐振荡电路的置位/复位脚4脚上，电容C03的第二端连接在IC7555模块的1脚上，与电容C03并联设置有电阻R06，通电时，电源通过电阻R05向电容C03充电，当电容C03的电压高于4脚的置位/复位电压时，触发多谐振荡电路发出一定频率及占空比的脉冲，当电路断电时，电容C03通过与其并联的电阻R06放电，在MOS场效应管两端并接相互串联的电阻R13、电容C11形成吸收电路，在IC7555模块的4脚和1脚之间设置有二极管D06用于保证IC7555模块4脚复位正常开启电压，8脚和1脚间接稳压二级管D05，用于IC7555工作电源稳压，与线圈并列设置方向相反的稳压二极管D22、整流二极管D21用于续流和衰减控制，两个二极管的正向端分别连接在线圈两端。以上是本发明电磁铁控制电路部分的改进，改进后的控制电路应用在普通24V直流电磁铁上，在启动时获得大大，维持较启动时电流小，电磁铁整体温升低、功耗小。在以上控制电路改进的基础上，再结合对本发明在电磁铁线圈上做进一步的改进，所述的电磁铁为24V电磁铁，电池铁线圈的铜漆包线的直径为0.45mm至0.65mm，线圈的匝数在500-800之间，激励磁势在2800-3500安*匝，这样在启动时可以产生较传统的普通直流24V电磁铁近2倍的推力，而且由于在电磁铁维持状态时线圈中的电流较小，不会使改进线圈后的电磁铁温升超标，较传统普通24V直流电磁铁温升还低，普通的24直流电磁铁指没有本发明的控制电路的电磁铁，其维持电流和启动电流基本相同。这种在应用上述控制电路基础上改进线径和匝数的电磁铁推力大大提升而且温升不高，克服了传统普通直流电磁铁推力较小的缺陷，得到了24V直流大推力电磁铁。在以上控制电路、电磁铁线圈上改进的基础上，再对衔铁及铁芯做进一步的改进，所述的电磁铁的衔铁头部为锥形，锥形头部与衔铁外表面之间设置有台阶，锥形头部的竖截面为沿衔铁中心线对称的等腰梯形，等腰梯形的底角在55度至70度之间，等腰梯形的底边长度为衔铁直径的0.8-0.9倍，铁芯与衔铁的结合处为与衔铁锥形头部和台阶相对应的锥形腔和平面部。在控制电路、电磁铁线圈改进的基础上可以获得传统普通24V直流电磁铁2倍左右的推力，进一步的对衔铁和铁芯的形状进行改进后，可以优化电磁铁的F-S曲线，使六通径的电磁铁的F-S曲线达到十通径的电磁铁的F-S指标，可以用六通径电磁铁代替十通径电磁铁，大幅降低相应的成本。 本发明的多谐振荡器的IC芯片不局限与IC7555模块，其它555型的模块也可用于本发明，只需改变一下其它相应的元件参数即可。
更为详细的实施方式结合各附图说明，附图中各标记为，100：控制电路；101：衔铁；102：线圈；103：铁芯；104：推杆；1011：锥形头部；1012：台阶；1013：梯形截面底角；1031：锥形腔；1032：平面部。其中控制电路100为图1中从直流输入端至线圈两端的所有部分，其元器件及连接关系在以上已经进行了详细的描述。以下对本发明控制电路的各部分功能做进一步的阐述。控制电路由以下部分组成：
（1）整流电路
将直流电源通过桥式D01-D04整流，其目的是电源两端可不分正负，方便使用用户。电源经电阻R01、电阻R02、分压电容C1滤波给控制集成振荡电路提供电源；
（2）多谐振荡电路
以IC7555及电阻R3、电阻R4、电容C02形成多谐振荡电路，由3脚产生一定频率及占空比的脉冲，本发明中选取了IC7555模块芯片，可实现本发明方案的不局限于IC7555模块芯片，可选择多种555型的芯片实现本方案，只须对其它相应的元件型号选择匹配即可；
（3） 延时电路
电路得电后，电源经电阻R5向电容C03充电，电容两端的电压Uc上升，延时时间由电阻R5、 电阻R6、电容C03决定，Uc升至略高于IC7555芯片4脚置位电压时，振荡脉冲开始。延时结束，电路掉电后，Uc向电阻R6放电，以待下一次得电。稳压管D6、电阻R5、电阻R6、电容C03提供正常工作时4脚电压；
（4）栅极触发电压提供电路
由Q12及外围原件组成，提供场效应管栅极触发电压，图1中，电源正极和三极管Q1的基极之间设置电阻R11是为了保证在电路工作中三极管Q1的基极电位在合适的工作范围内；（5） MOS场效应管主电路
电磁线圈在得电开启时，MOS场效应管绝大部分时间工作开通状态，延时电路延时结束后，MOS场效应管栅极接收到的脉冲的控制下，工作在通断状态；
（6） 保护电路
由整流电路前端并接瞬态抑制二极管，防静电及高压脉冲浪涌，当有400V以上的瞬间高压时，保护电磁铁内部元件；稳压管提供限制电压。R14、C11组成MOS场效应管吸收电路；
（7） 续流电路
由二极管D21、二极管D22组成，稳压二极管D22与电磁铁适应，以取得一定衰减程度的衰减电流。消除反电动势对电路影响及断电衔铁复位时间的影响。
在以上控制电路的基础上对本发明的线圈做进一步的改进可以获得较大推力、低温升的直流电磁铁，电磁铁温升达标。以Z12-37YC DC24V直流电磁铁为例：增大线圈漆包线线径，减小其匝数，维持磁轭外形，相应增加激磁磁势，原24V直流电磁铁线径0.38mm，匝数1350，其电阻值R=20欧（在20℃下测定）加24V直流电压产生磁势为1620安*匝，在维持磁轭外形不变的情况下，改线圈线径为0.53mm，匝数660，其电阻值R=5欧（在20℃下测定），激磁磁势为3168安*匝，这样，在原磁芯管铁芯、衔铁不变时，同一行程位置处，电磁推力为原电磁铁的1.96倍，而且由于闭合后在控制电路的作用下线圈中的电流较小，增加线径后电磁铁的温升完全达标，低于原传统的普通电磁铁的温升，普通电磁铁指没有本发明控制电路的直流电磁铁，本改进后的大推力电磁铁如图2所示，图2所示的线圈102采用上述方案。
在上述控制电路、线圈改进的基础上获得了大推力低温升24V直流电磁铁，对衔铁和铁芯的做进一步的改进，如图3、图4所示，铁芯101的头部采用锥形头部，如图4中1011所示，衔铁头部为锥形，锥形头部1011与衔铁外表面之间设置有台阶1012，锥形头部的竖截面为沿衔铁中心线对称的等腰梯形，等腰梯形的底角在55度至70度之间，1013所示为一个底角， 等腰梯形的底边长度为衔铁直径的0.8-0.9倍，铁芯与衔铁的结合处为与衔铁锥形头部锥形和台阶相对应的锥形腔1031和平面部1032，本改进后的电磁铁如图3、图4所示。在控制电路、线圈改进的基础上获得大推力低温升直流电磁铁对衔铁和铁芯的做进一步的改进，可以在大推力的基础上优化24V直流电磁铁的F-S曲线，使六通径的电磁铁的F-S曲线达到十通径电磁铁的F-S曲线指标要求。实现以小代大，大幅降低电磁铁成本。图5是三种六通径24V直流电磁铁的曲线及比较，其中曲线C在行程4mm处达到了近80N的力，满足了十通径电磁铁的要求。
在详细说明本发明的实施方式之后，熟悉该项技术的人士可清楚地了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围，且本发明亦不受限于说明书中所举实例的实施方式。
Claims (9)
1.一种低温升大推力直流电磁铁，包括直流电源输入端、线圈、衔铁、铁芯，其特征在于：所述的电源正极连接至线圈的输入极，线圈的输出极和电源的负极之间连接有MOS场效应管，三极管Q1的发射极连接在电源的正极上，三极管Q1集电极连通在MOS场效应管的栅极上，三极管Q1的基极上连接多谐振荡电路的输出，所述的多谐振荡电路上连接有延时电路，电源接通电磁铁开启时，三级管Q1导通后提供MOS场效应管的触发电压，MOS场效应管导通，加在线圈两端的是正负极之间的电压，线圈中产生大电流以产生启动时的推力，多谐振荡电路经过延时电路延时后发出一定频率及占空比的脉冲至三极管Q1的基极，脉冲高电位时，三极管Q1处于截止状态，MOS场效应管失去触发电压，在脉冲低电位时，三级管Q1导通，MOS场效应管得到触发电压， MOS场效应管在多谐振荡电路的作用下栅极不断的得到和失去触发电压，使MOS场效应管工作在通断状态，加在线圈两端的电压为一定占空比的脉冲，使线圈在衔铁维持状态时电流较电磁铁启动时的电流降低。
2.根据权利要求1所述的一种低温升大推力直流电磁铁，其特征在于：所述的电磁铁为24V电磁铁，电池铁线圈的铜漆包线的直径为0.45mm至0.65mm，线圈的匝数在500-800之间，激励磁势在2800-3500安*匝。
3.根据权利要求2所述的一种低温升大推力直流电磁铁，其特征在于：所述的电磁铁的衔铁头部为锥形，锥形头部与衔铁外表面之间设置有台阶，锥形头部的竖截面为沿衔铁中心线对称的等腰梯形，等腰梯形的底角在55度至70度之间，等腰梯形的底边长度为衔铁直径的0.8-0.9倍，铁芯与衔铁的结合处为与衔铁锥形头部锥形和台阶相对应的锥形腔和台阶。
4.根据权利要求1所述的一种低温升大推力直流电磁铁，其特征在于：所述的多谐振荡电路包括IC7555模块，整流后的直流电源经串联的电阻R01、电阻R02分压后为IC7555模块供电，IC7555模块的1脚连接在电阻R01的低电位端，8脚连接在电阻R01的高电位端，IC7555由8、7脚电和电阻R04、2/6脚与7脚和电阻R03、2/6脚与1脚和电容C02形成一定频率及占空比的脉冲，其中8脚连在电源的正极，电阻R04的第一端连在电源的正极，第二端连在7脚，电阻R03的第一端连在7脚，第二端连在电容C02第一端上，6脚和2脚连接在电阻R03第二端，电容C02的第二端连接在电阻R01的低电位端。
5.根据权利要求1所述的一种低温升大推力直流电磁铁，其特征在于：所述的多谐振荡电路包括IC7555模块，整流后的直流电源经串联的电阻R01、电阻R02分压后为IC7555模块供电，IC7555模块的1脚连接在电阻R01的低电位端，8脚连接在电阻R01的高电位端，所述的多谐振荡电路上连接的延时电路为：电阻R05的第一端连在电源正极上，第二端连接电容C03的第一端，电容C03的第一端连在多谐振荡电路的置位/复位脚4脚上，电容C03的第二端连接在IC7555模块的1脚上，与电容C03并联设置有电阻R06，通电时，电源通过电阻R05向电容C03充电，当电容C03的电压高于4脚的置位/复位电压时，触发多谐振荡电路发出一定频率及占空比的脉冲，当电路断电时，电容C03通过与其并联的电阻R06放电。
6.根据权利要求1所述的一种低温升大推力直流电磁铁，其特征在于：在MOS场效应管两端并接相互串联的电阻R13、电容C11形成吸收电路。
7.根据权利要求5所述的一种低温升大推力直流电磁铁，其特征在于：所述的IC7555模块的4脚和1脚之间设置有二极管D06用于保证IC7555模块4脚复位正常开启电压，8脚和1脚间接稳压二级管D05，用于IC7555工作电源稳压。
8.根据权利要求1所述的一种低温升大推力直流电磁铁，其特征在于：与线圈并列设置方向相反的稳压二极管D22、整流二极管D21用于续流和衰减控制，两个二极管的正向端分别连接在线圈两端。
9.根据权利要求1所述的一种低温升大推力直流电磁铁，其特征在于：直流的输入端首先连接至桥式整流电路后正极连接到线圈的输入极。
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