史兆森，吕汉明,2

（1.天津工业大学 纺织学院，天津 300387；2.教育部天津工业大学 先进纺织复合材料重点实验室，天津 300387）

0 引言

喷码机是一种通过控制软件，使用非接触方式在产品上进行标识的设备[1]。现今喷码机应用越来越来广泛，特别在工业中的使用更加重要。目前按照喷码机应用可分为小字符喷码机、大字符喷码机、激光喷码机、高解析喷码机、油墨喷码机、热转印喷码机[2]。本文主要研究大字符喷码机，大字符喷码机的喷头由7组或者16组精度较高的电磁阀组成，在喷印过程中，由电脑处理喷印的字符或图片，转化为电信号来控制电磁阀开启或闭合，在电磁阀开启时墨水由于内部压力喷出，喷在运动的被喷印物表面形成墨点，一连串墨点形成字符或图形[3]。本文设计了用于大字符喷码机的连续供墨式电磁阀，并根据麦克斯韦方程组推导出电磁阀中电磁力的计算公式，用Maxwell模拟了电磁阀铁芯的受力及运动[4]，并通过实验验证了推导出的电磁力的计算公式的准确性及Maxwell模型的可行性。

1 电磁阀的结构

设计的喷码机喷头电磁阀的基本结构如图1所示。通过控制喷码机喷头电磁阀线圈的通、断电，控制其电磁力的产生与消失，带动铁芯运动实现喷墨控制[5]；喷墨量和喷墨时刻则通过电磁阀闭合时间和闭合时刻来调节[6]。

图1 喷码机喷头电磁阀结构示意图

2 电磁力的计算

设线圈匝数为N，流过线圈的直流电流为I（A），磁路有效长度（衔铁和铁芯吸合面之间的距离，简称气隙）为Ie（cm），磁极的吸合面积为S（cm2），真空磁导率为μ0[7]。

则由电磁吸合力公式(1)可知，电磁力大小与安匝比（NI）大小、吸合面积大小成正比，与气隙大小成反比，吸合面积与气隙的大小由电磁阀硬件决定，不易轻易改变，因此调节电磁力大小可以通过调节安匝比大小来实现。

设ρ为导体电阻率（Ω.mm），D为线圈直径（mm），d为漆包线线径（mm），U为电压（VDC）安匝比安匝比大小与电压大小和漆包线线径大小成正比，与线圈直径成反比[8]。

3 Maxwell模拟

3.1 建模

为了便于进行喷头中的电磁阀仿真，建立模型时对电磁阀进行了简化，仅保留了衔铁、铁芯及线圈[9]，所建立的电磁阀模型如图2所示。模型中铁芯和衔铁设置的材料为纯铁steel1010，线圈设置的材料为copper，铁芯运动边界和电磁阀边界设置的材料为vacuum。

图2 电磁阀模型

3.2 仿真实验

设计的电磁阀的结构参数设置如下，铁芯直径3mm、铁芯长度10.6mm，衔铁直径为3.4mm，线圈圈数2000，弹簧刚度0.4N/mm，电压为24VDC。漆包线线径为0.08mm，初始气隙为2mm时仿真结果如图3、图4所示。漆包线线径为0.12mm，初始气隙为2mm时仿真结果如图5、图6所示。漆包线线径为0.12mm，初始气隙为4mm时仿真结果如图7、图8所示。

图3、图5、图8为电磁阀通电运行时电磁阀吸力和弹簧弹力随着时间变化的规律，图4、图6、图9为电磁阀运行时铁芯位移与时间的关系，线圈通电后铁芯位移随时间的推移不断增加，在铁芯达与衔铁接触后或电磁吸力与弹簧弹力达到平衡后静止。

图3、图4表明，在漆包线线径为0.08mm，气隙为2mm时，线圈通电后铁芯向衔铁运动，弹簧被压缩产生弹力，但在5毫秒时弹簧弹力与电磁阀吸力达到平衡，由于惯性等其他作用使得铁芯上下运动一段时间后达到静止，这是由于电磁吸力太小，导致铁芯并未运动1.99mm，表明漆包线线径为0.08mm时，电磁阀线圈通电时产生的电磁吸力不能满足试验要求。

图5、图6在漆包线线径为0.12mm，气隙为2mm时，线圈通电后铁芯向衔铁运动，弹簧被压缩产生弹力，铁芯在运动1.99mm达到最小气隙后停止，表明电磁阀通电后由于产生的电磁力足够大，可以满足试验要求。

图8、图9在漆包线线径为0.129mm，气隙为49mm时，线圈通电后铁芯向衔铁运动，弹簧被压缩产生弹力，但在6毫秒时弹簧弹力与电磁阀吸力达到平衡，由于惯性等其他作用使得铁芯上下运动一段时间后达到静止，这是由于电磁吸力太小，导致铁芯并未运动1.999mm，表明漆包线线径为0.129mm，气隙为49mm时，电磁阀线圈通电时产生的电磁吸力不能满足试验要求。

经过试验验证，漆包线线径为0.089mm，气隙为29mm时与漆包线线径为0.129mm，气隙为49mm时电磁阀无法完全吸合，漆包线线径为0.129mm，气隙为29mm时可以完全吸合，实物试验结果与Maxwell仿真结果相符。

图7所示分别为线径为0.129mm，初始气隙为29mm时仿真结果中吸力与气隙之间的关系和用公式(1)计算出的吸力与气隙之间的关系。图7表明电磁阀的吸力随着气隙的增加而减少，电磁线圈吸力计算公式结果与Maxwell仿真结果相似，可以作为设计与试验的参考数据。

图3 力与时间的关系图（线径0.08mm、气隙2mm）

图4 气隙与时间的关系图（线径0.08mm、气隙2mm）

图5 力与时间的关系图（线径0.12mm、气隙2mm）

图6 气隙与时间的关系图（线径0.12mm、气隙2mm）

图7 气隙与电磁力的关系图

图8 力与时间的关系图（线径0.12mm、气隙4mm）

图9 气隙与时间的关系图（4mm）

4 结论

建立了电磁阀电磁吸合力的数学模型，利用麦克斯韦方程推导出线圈通电时产生的电磁力的计算公式，并利用ANSYS Maxwell软件进行了仿真。仿真结果表明：在电压一定时，吸合面面积一定，电磁阀通电产生的电磁力的大小与气隙，漆包线线径有关，气隙越大，产生的电磁力越小，漆包线线径越大，产生的电磁力越大，由电磁吸合力公式(1)可知，电磁吸力与安匝比及气隙有关，气隙与电磁阀结构有关，安匝比径过公式计算与通电电压和漆包线线径有关，并且根据安匝比大小及气隙大小等数据可以计算出电磁吸力大小，弹簧刚度在设计电磁阀中也有重要的影响，这些结果对电磁阀设计与修改具有很重要的参考依据。

[1]行业.从“十二五”建议看喷码机应用的发展和前景[N].中国包装报,2010-11-09(001).

[2]张晖.大字符喷码机的设计与实现[D].河北工业大学,2014.

[3]谭俊峤.我国喷墨印刷现状及发展趋势[J].印刷杂志,2010,(10):1-4.

[4]李其朋,丁凡.比例电磁铁行程力特性仿真与实验研究[J].农业机械学报,2005,36(2):104-107.

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[9]陈娜.柴油机高速电磁阀电磁场分析及结构优化研究[D].上海工程技术大学,2013.