新型双向比例电-机械转换器的研制

　　1 引言

　　电磁驱动器由于具有良好的控制特性、易于实现等特点,在液压工业领域内得到广泛应用,电磁驱动器是电液开关阀、比例阀以及伺服阀的关键驱动部件,其功能直接决定液压阀以至系统的工作特性;因此电磁驱动器的研究开发一直是流体传动及控制领域的研究热点。

　　目前较常采用的电磁驱动器形式是比例电磁铁,它具有驱动力大、易于维护、成本低等优点[1],但是,由于比例电磁铁驱动力仅为单一方向,断电后易失去保护,无法保证系统可靠,因此其使用范围受到限制。某大学流体传动及控制实验室[2]介绍了一种采用激励线圈和控制线圈组合实现双向控制的电磁铁,但是激励线圈的存在大大增加了系统能耗,继而引起的温升限制了其输出功率的提高;有两家单位相继开发出一种线性力马达,能够实现良好的双向驱动,但是结构较为复杂。本文提出了一种新型永磁极化式差动控制型电-机械转换器[5],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它的位移-力等输出特性。

　　2 结构与工作原理

　　该电-机械转换器结构(图1所示)由永久磁体、控制线圈、隔磁体、导套、壳体以及衔铁等组成。永久磁体为径向充磁方式,布置在壳体中央,其左右对称布置有一组控制线圈;导套由导磁材料组成,隔磁环由非导磁材料制成,隔磁环将导套分隔成3个部分,这样在磁轭端部可构成锥形端部的盆形极靴,有利于磁场的调节。衔铁在导套内移动,并与推杆连接为一体,其位移由推杆引出;导套与隔磁环固结为一体,作为耐高压套管,可以有效地隔离高压流体,保护线圈等外围器件。

　　工作原理:当控制线圈未供电时,在永久磁体产生的激励磁场作用下,衔铁可保持在中位静止不动;当控制线圈通入一定极性的电流时,控制线圈产生的控制磁场与激励磁场相叠加,引起磁场变化,衔铁一端磁场增强,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;同样的,当相反极性的电流流过控制线圈时,衔铁将反向移动。

　　3 特性分析

　　电-机械转换器的工作涉及到电、磁、机械,因此需要分别建立其电路、磁场、以及运动方程[6]。电路方面,有:

　　式中,V是线圈的供电电压,N为线圈匝数,为磁链,R为线圈内阻,I为线圈电流。

　　磁场方面,考虑到该电-机械转换器结构形式,对于二维轴对称磁场,可得:

　　式中,u0为空气磁导率,A为磁场的标量磁位,J0为源电流密度。

　　式中,m为衔铁等效质量,F为磁场力,c为黏性阻尼系数,k为弹簧刚度,x为衔铁位移。