电磁阀基本原理和应用
在真空系统或其他系统应用中，阀门常用来打开、关闭或隔离腔室，根据控制方式，阀门主要有手动阀门、气动阀门和电动阀门，手动阀门顾名思义就是通过手动控制阀门的开关；气动阀门则是通过气体的压力来驱动阀门的开关动作，其优势是速度快、稳定性好、可实现远距离控制和自动控制等，如中科艾科米的电子束蒸发源控制器、电阻式蒸发源控制器、裂解源控制器等电控仪器都配备有可选的Shutter控制模块，另外还有专门用于控制阀门的控制设备，最多可控制多达24路阀门，可实现阀门的自动控制；相比于气动阀门，电动阀门由于驱动力矩较小、开关速度慢等因素较少应用于真空系统中。气动阀一般要配合电磁阀来使用，电磁阀用来改变气路的通断来控制气动阀的开合。
一、气动阀门
在介绍电磁阀之前，首先简单了解一下气动阀门的结构。气动阀门由气动执行机构(通常叫做气缸，以下统称为气缸)和对应的阀门结构组成，气体推动气缸动作，气缸带动阀门动作。按照压缩空气对气缸内活塞的施力方式，气缸可分为单作用气缸和双作用气缸。
单作用气缸只在一端留有通气口，通过给该端通气口输入压缩空气可以使活塞杆动作(伸出或缩回），另一端则靠弹簧力、自重或其他外力等使活塞杆恢复到初始位置。
图1 单作用气缸
双作用气缸在气缸两端都留有通气口，一端通气口输入压缩空气时，推动活塞向另一端动作，气缸内的残余气体通过另一端的气口排除；反过来向另一端输入压缩空气时，动作相反。
图2 双作用气缸
要实现对气动阀门的控制，除了要配备稳定的气源外，电磁阀(有别于电动阀门，准确的应该叫电磁换向阀，一般简称为电磁阀，本文统称为电磁阀)也是必要的配件之一。电磁阀的作用是切断/接通气源或者改变气源的方向，以此来控制气动阀门的开关动作。
图3 电磁阀
二、电磁阀
电磁阀（Solenoid valve）是用来控制流体方向的自动化基础元件。通常用在工业控制系统和科研仪器系统设备中，通过电磁阀配合适当的电路可以实现自动切断和接通气源，以达到改变气体流动方向的目的。例如在真空系统中经常用到的插板阀、角阀、Vent阀以及气动Shutter等，都可以通过电磁阀来实现自动打开和关闭。
图4 真空阀门
电磁阀控制气缸的典型应用场景如下图所示。通过适当的电路可以控制电磁阀改变气体流入气缸的方向，从而驱动气缸进行动作(直线运动或旋转等)。
图5 电磁阀典型应用场景
三、电磁阀工作原理
电磁阀由电磁线圈和阀体两部分组成，主要工作原理是利用电磁线圈产生的电磁力的作用，推动阀芯动作，实现流体的通断或换向。以两位五通电磁阀为例，其基本结构如图6所示。当电磁线圈不通电时，活动铁心在复位弹簧的作用力下维持初始状态，其流体方向为从下到上；当电磁线圈通电时，磁回路受激产生了电磁吸力，使活动铁芯受到吸引力并克服复位弹簧的力而向下移动，流体方向变成了从上到下；当线圈断电后，电磁吸力消失了，活动铁芯在弹簧的作用下又回复到原来的位置。其他类型电磁阀的工作原理基本类似。
图6 电磁阀结构
四、电磁阀分类
1、按动作方式可以分为直动式和先导式
直动式：通电时仅靠电磁线圈产生的电磁力使运动部件（由磁芯、阀杆、上下部的膜片/密封件构成）动作，阀门开启；断电时弹簧力把运动部件恢复到初始位置，阀门关闭。
图7 直动式电磁阀
先导式：通电时，电磁力先把先导孔打开，使运动部件两端产生压差，靠气体的压力使运动部件克服弹簧力动作，阀门打开；断电时，电磁力把先导孔关闭，弹簧力又把运动部件恢复的初始位置，阀门关闭。
图8 先导式电磁阀
直动式电磁阀的阀门打开时，不需要介质的压力，可以零压启动，所以相比先导式电磁阀的启动速度会来得更快一些，特别适用于要求快速切断的场所中；但是相对于先导式的电磁阀，体积较大，所需功率大。先导式电磁阀必须要有先导压力，否则无法打开，体积相对较小，所需功率小。
2、按孔位数分类
阀芯有几个位置就是几位阀，阀体上有几个出口就是几通阀。下面以真空系统中气动阀门常用的几种电磁阀进行介绍。
二位三通电磁阀：
图9 二位三通电磁阀
二位三通电磁阀主要用来控制单作用气缸。如上图所示，二位三通电磁阀有3个通气口，P为进气口，连接气源；A为出气口，连接单作用气缸的进气口；R为排气口，一般接消音器。当线圈通电时，排气口A关闭，气体由进气口P通过出气口A进入到气缸，驱动气缸动作；断电时，进气口P关闭，气缸在弹簧的作用下复位，并把残余的气体通过出气口A由排气口R排出。
图10 二位三通电磁阀控制单作用气缸
二位四通和二位五通电磁阀：
图11 二位五通电磁阀控制双作用气缸
二位四通阀和二位五通阀如上图所示。二位五通电磁阀有5个通气口，进气口P连接气源，两个出气口A和B分别连接气缸的两个通气口，两个排气口R和S一般接消音器。当线圈通电时，气体由进气口P通过出气口A输入到气缸左腔室，驱动气缸活塞杆拉伸，气缸右腔室的残余气体由B通过排气口S排出；断电时，气体由进气口P通过出气口B输入到气缸的右腔室，驱动气缸活塞杆恢复到初始位置，气缸左腔室的残余气体则由A通过排气口R排出。
二位四通电磁阀和二位五通电磁阀的区别是二位四通电磁阀把二位五通电磁阀的两个排气孔合并成了一个。一般用在液压控制上面时，为了方便收集油，所以用二位四通阀，在真空系统气动阀门控制中，用的是压缩空气或氮气，不用回收，则一般用二位五通阀。
图12 二位四通电磁阀控制双作用气缸
三位五通电磁阀：
三位五通电磁阀采用双电控线圈，当两个电磁铁都不得电时，阀芯在两侧弹簧的平衡推动下处于中间位置，此时电磁阀中气路的通断状态决定了此电磁阀是中封、中泄还是中压式三位五通阀。三位五通电磁阀可以用来控制有三个状态的气动阀门，如有三个状态的插板阀等。
中封：在两个线圈都不给电的情况下，电磁阀的进气口和排气口都处于关闭位置。此时气缸前腔和后腔的压力保持在最后一个线圈失电时的状态不变。但长时间处于此状态时，由于各连接处有微小泄漏，这种平衡慢慢会被打破。
图13 中封式三位五通阀
中泄：在两个线圈都不给电的情况下，电磁阀的进气口关闭，排气口打开，气缸前后腔内的压力分别经电磁阀两个排气口排出，气缸前腔和后腔都无压力。
图14 中泄式三位五通阀
中压：在两个线圈都不给电的情况下，电磁阀的进气口打开，排气口关闭，气缸前腔和后腔的压力保持在最后一个线圈失电时的状态不变，并持续给压，使气缸前腔和后腔压力与进气端压力一致。
图15 中压式三位五通阀
另外，也有双电控的二位五通电磁阀，双电控电磁阀的优点是具有记忆功能，在电磁阀失电时，使气缸仍能保持在原有的工作状态。
最后，在选用电磁阀时，除了要根据气动阀门的类型选择对应类型的电磁阀外，还需要注意选择匹配的控制电压类型(交流/直流)，配管形式、配管口径、流通能力等。
为了方便实验人员使用，中科艾科米的控制产品(如电子束蒸发源控制器、电阻式蒸发源控制器、裂解源控制器等)都配备有可选的Shutter控制模块，另外还有专门用于控制阀门的控制设备，最多可控制多达24路阀门。
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参考文献：
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[2]https://baike.baidu.com/item/%E7%94%B5%E7%A3%81%E9%98%80/1621163#7_1
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[4]https://zhuanlan.zhihu.com/p/58534463
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Recently, Professor Harald Fuchs—academician of the German Academy of Sciences and the German Academy of Engineering and Director of the Institute for Physics at the University of Münster—visited ACME to explore their facilities and engage in a fruitful exchange of ideas.
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