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槓桿作動式氣壓電磁線圈設計與實驗研究

摘要"

切換式電磁線圈在氣壓控制及工業自動化領域都是使用相當廣泛的元件,一般的切換式電磁線圈構造包含了線圈、外殼、鐵芯及推桿等組件,作動時藉著線圈通電激磁產生磁場,磁化外殼及鐵芯產生磁力,進而推動推桿移動。但由於一般的切換式電磁線圈皆為軸對稱型式,其推桿多為線圈內軸向直線運動,這會使得電磁線圈的應用受到動作型式上的限制。所以,本文藉由改變電磁線圈的整體構造,使推桿的作動型式不再僅限於軸向,期能提升電磁線圈的應用範圍。本文所探討的電磁線圈為非軸對稱槓桿作動結構的吸引式電磁線圈,除了將整個線圈外殼改造成U型導磁桿件,也將推桿搖身一變改造成導磁作動板。其中U型導磁桿件一端為導磁作動板的支點;另一端將另外設計成T柱型結構,作為U型導磁桿件與導磁作動板之間的作動空間,詳細的設計將於文中詳述。本研究將以磁阻計算推導的理論數值為依據,並利用有限元素分析軟體Flux3D進行模擬槓桿結構切換式電磁線圈的力量-行程特性曲線做比較,最後則以實驗的方式來驗證所研發非軸對稱槓桿作動式電磁線圈的設計確具可行性。展望未來,本文之設計研究成果應能更加擴展切換式電磁線圈於氣動控制中的應用領域。

關鍵詞:氣壓、切換式電磁線圈、槓桿作動結構、Flux3D


電磁線圈(Solenoid)為氣壓系統中常見之電器-機械換能器(Electro-Mechanical Transducer)[1],其在液氣壓閥類設計上佔有相當重要的地位,但因其響應速度快,但輸出力量小,故常與氣壓設備結合而成電-氣壓系統,用以提升輸出力量,並同時保有較高的響應速度。由於電氣系統易於操控,故在電-氣壓系統中,電氣系統一般位於第一級,如圖1所示,而出力大的氣壓系統則位於第二級或第三級。
圖2中所示之切換式電磁線圈是經由通電後的電磁線圈產生的電磁能,磁化電磁閥內部的鐵芯與推桿,使鐵芯與推桿產生磁吸力,使電磁閥產生推出與吸入動作之開與關的切換功能,將此機械動作大量應用於控制機構上,可減少人力及增加工作效率等優點,於工業自動化上佔有不可取代的地位。由於切換式電磁線圈具有構造簡單、響應速度快、已被廣泛應用於工業與民生用品中,其中結合了電氣與氣壓設備的自動化機械,更是在工業製造設備上最為常見。
切換式電磁線圈的內部構造通常都包含以下幾項:線圈外殼、線圈、線圈架、復歸彈簧、鐵芯、推桿等部件,而線圈結構除了絕大多數均為軸對稱的形式,如圖2中所示之電磁線圈;也有部分為簡單非軸對稱式,例如圖3中所示之具備防旋轉橢圓形推桿之切換式電磁線圈[3]。
本研究將以非軸對稱為基礎,進一步應用槓桿作動原理結構來重新設計切換式電磁線圈,並透過基礎公式推導以及有限元素分析軟體Flux3D來模擬分析所設計非軸對稱之全新切換式電磁線圈,最後並透過實驗來加以驗證。

槓桿作動式切換式電磁閥線圈介紹

本文所研究的槓桿作動式切換式電磁閥線圈種類為小流量型氣壓切換閥用之吸引式電磁閥線圈,其結構分為以下幾個部分,包含線圈、U型導磁桿件、導磁作動板等,如圖4所示。
1. 線圈:
槓桿作動式切換式電磁閥線圈的激磁磁場能量來源。
2.U型導磁桿件:
此為槓桿作動切換式電磁閥線圈的主體結構,其外型為圓柱體高導磁材料,U型構造兩端分別為圓柱形與壓平的T形;圓柱形端為線圈架放置端以及作為導磁作動板的支點;而T形端則是為了與導磁作動板互相吸引貼合而設計。
3. 導磁作動板:
此為槓桿作動式切換式電磁閥線圈的運動輸出桿件,由導磁金屬薄板及非導磁不鏽鋼封板組成,為電磁閥氣孔端的開關控制板。以U型導磁桿件的圓柱端為活動支點,在作動板支點右上方對應是T形端平面,右下方則是氣孔端。
本文電磁閥線圈的運作原理為:當通電時,線圈內會產生一個磁場,接著磁場會沿著U型導磁桿件流到導磁作動板上,與此同時導磁作動板平面和T形端平面之間的空氣間隙就會產生磁吸力,當磁吸力量大於復歸彈簧的反向拉應力時,兩端平面間距就會縮小直到緊密貼合,此時電磁閥氣孔端為全開狀態,如圖5所示;而當線圈斷電時,導磁作動板會經由活動支點左邊的復歸彈簧拉回,使氣孔端被堵住,此時電磁閥氣孔端則為關閉狀態,如圖6所示。

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