低功耗耐高压双向线性力马达静态力特性研究

　　电-机械转换器是电液伺服/比例阀将输入的控制信号转换成相应的阀芯位移的关键部件,其性能直接影响液压控制阀,甚至系统的工作特性.传统比例电磁铁由于具有较大的推力/重量比、易于维护、成本较低等优点,在电液比例阀上得到广泛应用,但是,其控制电流和功耗往往较大,极易导致线圈温度升高,因此,降低能耗成为电-机械转换器研究的一个重要方向[1-2].MOOG公司开发的一种直动式伺服比例阀用线性力马达[3],利用永磁体产生极化磁场,阀芯处于零位时几乎不耗电,与传统比例电磁铁相比,功耗相对较低,可实现双向驱动.但是由于受气隙变化的影响,其输出特性的非线性较严重,为了克服非线性,气隙附近采用普通的比例电磁铁盆型极靴结构,可是非工作气隙较大,以致电磁能得不到充分利用.另外,该结构在永磁极化磁场作用下输出位移-力特性为负磁弹簧刚度,必须采用强有力的对中弹簧克服负磁弹簧刚度的不利影响,使阀芯具有失电复位功能.

　　本文在MOOG双向线性力马达结构的基础上,提出了一种低功耗耐高压双向线性力马达[4],基于有限元方法建立了它的数学模型,通过仿真和实验研究了其静态力特性.

　　1　结构与原理

　　低功耗耐高压双向线性力马达由永磁体、线圈、导磁套、磁轭、衔铁以及推杆等组成,如图1所示.两环形永磁体轴向充磁,左右对称布置,分别通过磁轭、导磁套、气隙、衔铁形成极化磁通1、2,与线圈产生的控制磁通3形成差动控制而实现双向工作.导磁套由3段非导磁金属材料隔磁环分隔成4个部分,除了形成两段盆形极靴外,还在中部形成一段梯形极靴,与该3段极靴相对应的轴向位置上衔铁开有3个环形凹槽.与普通的比例电磁铁盆型极靴结构相比较,梯形极靴及凹槽结构所形成的磁路有利于减小非工作气隙,提高电磁转换效率,达到低功耗的目的,并获得具有正磁弹簧刚度的线性位移-力特性[5].导磁套与隔磁环固结为一体,作为耐高压套管,可以有效地隔离套管内的高压流体,起到密封油液的作用.衔铁在导套内可自由移动,其位移由推杆引出.永磁体采用高性能的NdFeB稀土永磁材料;衔铁、导磁套以及磁轭等采用导磁率高的软磁材料[6].

　　当线圈通入正向电流时,线圈产生的控制磁通与极化磁通相作用,引起磁通变化,衔铁一端磁通增强,另一端减弱,致使衔铁向磁场增大的方向移动,直至达到新的力平衡;同理,当相反极性的电流流过线圈时,衔铁将反向移动.

　　2　理论分析

　　2.1　数学模型

　　描述静态磁场特性,一般引入磁位以方便求解,方程形式如下:

　　式中:μ为磁导率,A为磁矢位,J为电流密度.