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液压比例电磁铁和位移传感器的发展趋势

——据德国舒尔兹电磁铁梅明根集团专家Dr. Peter Tappe报告整理

很荣幸和大家分享关于比例式液压用电磁铁和位移传感器的发展趋势。

德国舒尔兹电磁铁梅明根集团是一家家族企业，有2500多位员工，一直是专业服务于电磁铁、包括比例电磁铁。我们的客户涵盖了各个领域，包括汽车行业，移动液压装置、医疗设备、宇航行业。

我们今天的主题是比例式液压用电磁铁和位置传感器。我们先简单介绍高效的圆柱形电磁铁，第二个内容是我们的平台策略，是为了便于大批量生产的一些技术方案，第三部分是我们最新设计的一个双向作用力的设计。第四项是介绍高精度的位置传感器，就是基于传统技术基础上的一个升级版，加置了一个传感器。最后是传感器位置控制的发展趋势。

图1是新旧两种结构电磁铁的对比，大家都知道，历史上有方形的结构，35mm见方的一个结构，现在我们公司创造性的设计是一个紧凑型的、高效的圆柱型结构。其优点在于：它是模块化结构，磁体与芯管是分开加工的，这使每个零件能够根据自己的情况定制大批量生产的方案，同时使安装更加简单，简单地旋紧螺纹就能够把他们组装在一起。

图1 新旧两种结构的电磁铁

磁体由三个部件组成，见图2，分别是垫圈，线圈和外罩。线圈的加工是非常关键的，所以我们采用了精密的压延技术，而且还有抗腐蚀保护的涂层；我们另外一项专有技术是自动化的注塑，对线圈进行涂覆，这样提高了对线圈的保护能力。线圈的绕线是自动机缠绕的，我们一个专有技术的亮点是在接线端子和线圈铜线之间用电焊，这样就能够抗高温。外罩方面采用了深拉伸工艺。

图2 磁体结构

下面是看芯管结构（见图3），一共三部分。第一部分被称之为极管，最新的技术是用铜焊来组成一个管组件，它的机械加工有三个部分：铁芯、不锈钢圈环、套管，这三个机械加工件通过铜焊加工在一起，稍后我会对这部分铜焊连接讲解更多的细节。第二部分的名字叫电枢，在设计上也是便于自动化安装的方案，电枢结构也是设计成便于切削和机械加工的。第三部分就是最右侧的部分：行程限制，有时包括一个手动的紧急按钮。

图3 芯管结构

为了便于装配，圆柱型电磁铁有几种选项。目前主流生产的产品是37mm和45mm，另外还有小型化的32mm，以及一个老的产品63mm的。但是63mm的是根据客户要求，不是最多的一个选项。我们针对连接器、连接头还有法兰，都有各种几何选项供客户选择，现在特别要强调的是我们的产品家族突出了针对于未来的32mm的紧凑型微型化的产品，因为我们预见到未来产品微型化的一个趋势。所以可以看到我们有足够宽广的产品链适合各种不同客户的要求。

 图4是37mm这个主流产品根据客户要求所进行的各种不同模块定制化组合：左端从上到下的这四个框的组合是我们的高端方案；中部从上到下的这四个框的组合是我们的中等方案；最右侧从上到下的这四个框的组合是我们的价值方案，也就是经济方案。在这个方案中也有一个互换的组合，比如选择我们的高端方案，其重点是效率达100%，当然如果客户想要节约一些费用的话，就可以调低对效率的预期值，费用降低，但是它的生产率就下降。最下面这一行是行程的四个选项。

图4 模块化组件( 范例尺寸37mm)

图5显示的是我们个性化的组合，根据客户的需求，根据刚才的选项我们进行客户定制化的排列组合，可以看到这样的组合包括标准的磁体壳，然后标准的比例芯管、行程限制。

图5 个性化的组合

图6是非标准的一个选项，上面这个有一个3mm的外管螺纹，这个非标产品不会对成本造成很大的负面影响，它只是在模块外面增加了一个弹簧。下面这个更加的特别，上下两个的主要区别是：上面是推，下面是拉，上面的移动方向是从右到左，下面是从左到右。两个正好相反，这两种非标方案，它的零件都是我们产品家族的标准配件，但是也有一些特制的、根据客户要求加工的特制的零件，所以这两款不论是推还是拉的电枢运动结构和行程安排在我们的生产中都能够满足客户要求。

图6 更进一步的变更：非标方案

图7介绍的是磁体的效率。要想使驱动力最大化、实现效率最大化，那么逐个零件都要实现优化。比如第一个要优化的零件就是垫圈，垫圈不论是内径还是外径都必须非常的精确，接下来是线圈的技术需要保证很高的精度，就像前面介绍，我们的线圈是在安装之前单独进行涂覆保护，这样就有更强的抗腐蚀能力，这样的优点更适合应用于移动式的液压装置和设备。由于密封是在装壳之前完成的，在装壳之前我们可以有视觉和感官更准确地判知它的涂覆条件，能够保证后续使用的高质量和可靠性。我们用的封装的塑料具有极高的性能，能够在持续高温的情况下保持良好的使用性。另外标识号和序列号是标志在塑料体上的，这样就避免了对金属部分的腐蚀。我们的外罩外壳是很薄的，但是底部很厚，这样的一个几何结构能够保证电磁回路的性能最佳化。另外一点，我们引进使用了退火工序，以减低材料的偏差和工艺的一些疏忽。

图7 磁体效能

图8是芯管的情况。对于其中的级管，为了获得最好的绩效和最好的执行力，我们需要高的同心度，以获得最理想、最小的空隙，最关键的技术是如何将三个部件紧密良好地连接在一起，必须要有最好的铜焊技术，将三个零件完美的结合在一起，而不影响性能曲线和磁力曲线。这样的焊接是级管连续化工作质量的保证。

图8 芯管效能

图9是压力测试，是从批量生产线上抽样的产品在实验室进行抽样试验，这个图片给大家展示的不是我们做样品时的一个测试，而是在连续大批量系列化生产的时候，从生产线上抽样来进行的代表批量生产的测试。

图9 耐压力

图10是磁滞的比较，是我们测试版本与当前最理想版本的一个比较。左侧是设计测试版本，右侧是理想化的一个版本。我们可以看到右侧的理想版本是采用滚珠轴承，它不是推向市场化的方案，而是实验室最佳的理想方案。我们可以看到最上面的红线代表的是左侧批量生产的方案，下面的橙色线代表的是右侧的最理想化研发状态的方案。通过实际的测试，表明我们批量生产这种胶膜覆盖轴承，其性能与实验室研发的最理想状态的一个标本（线性滚珠轴承）性能是非常接近的。

图10 磁滞

图11是双向比例电磁铁，左侧是我们目前使用的技术方案，可以看到它是由两个线圈和一个级管组成，当左右两个线圈分别有电流的时候，电枢就会按照各自线圈对应的方向向左或向右移动。右侧是新的方案，一个线圈就能够完成向左向右的驱动，它是采用标准的一个电磁壳来完成的，电枢结构的组合级管是采用了一个特殊的几何体来安装在这样的一个壳体中。现在的电枢体是由5个垫片组成，有两个垫片是永磁体，当线圈通电的时候，电枢向左移动，线圈通入电流发生反转的时候，电枢向右移动，它的优点就是一个线圈就能完成两个方向的电枢驱动。

图11 双向比例电磁铁

在未来我们会更多地采用霍尔传感器，见图12。我们在图上可以看到，在红色永磁上面是一个霍尔开关，当电枢向右移动的时候，电枢前端墨绿色的软铁套管就会罩住永磁磁体，影响磁场的变化，这样的一个影响和磁场的变化会被红色永磁体上面的霍尔开关探测到，那么这样的一个霍尔传感器就通过磁场的变化实时检测到了当前的电枢位置。

图12 带霍尔传感器的位置指示器

关于无传感器位置控制的发展情况。这个技术的核心就是不用传感器，是用电磁驱动器的线圈作为一个探测装置，见图13。其原理是比如说在我们关闭电磁阀的时候，高的线圈会有一个电压脉冲，那么在电枢移动过程中，不同的位置，电压的脉冲是不一样的，比如说1位置和2位置有差距，根据它们相对位置的差异，我们可以获悉目前电枢的实际位置，这样的一个线圈自我探测来确定电枢位置的装置，可以集中在一体，内置于电磁装置中。在这个装置中，我们设计了一个单片机PCB，一个线路控制板来集成所有的位置探测，另外还有一个额外的线圈，当电枢向右移动的时候，橙色的线圈会捕捉到相关的位移信号。

图13 无传感器位置侦测

我们讨论了高效性能的圆柱形的电磁铁，便于批量化生产的平台化的策略和优化。我们讨论了双向作用力的可行性，还有具有高精度及低温漂移的位置传感器的应用，最后我们讲述了关于无传感器位置利用线圈来探测电枢位置的智能电磁铁。

参考资料：

1. http://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&filename=YYQD201809031