硕士论文-低功耗比例电机械转换器关键技术研究.pdf

浙江大学机械工程学系 博士学位论文 低功耗比例电-机械转换器关键技术研究 姓名：李勇 申请学位级别：博士 专业：机械电子工程 指导教师：丁凡 20090501 浙江大学博士学位论文摘要 摘要 比例电机械转换器作为电液伺服比例阀的核心部件，在国防及民用工业如航空航天、 军事、机床、矿山、冶金和工程机械等领域的电液控制系统中起着重要作用。随着工业可 持续发展节能要求的不断提高，对比例电一机械转换器的性能提出了更高更多方面的要求。 降低比例电机械转换器的功耗，可以降低成本和线圈温升，提高工作稳定性，特别适用 于航空航天、深海、野外等电力供应不便领域工程中的应用，是目前电机械转换器研究 的一个热点。低功耗比例电机械转换器的研究将有助于更好地满足市场需求和可持续发 展节能要求。 本文以低功耗比例电机械转换器关键技术为研究对象，采用理论分析、解析计算、 数值仿真和试验研究相结合的方法，对低功耗比例电机械转换器关键技术进行了系统、 深入的研究。采用减小轴向非工作气隙和引入双径向工作气隙的低功耗策略，提出了低功 耗耐高压单向比例电磁铁的新结构；并在此低功耗策略的基础上，采用永磁偏置磁通和控 制磁通差动工作方式，提出了低功耗耐高压双向线性力马达的新结构；通过磁路分析和磁 场有限元仿真，分别阐述了结构参数的作用机理及具体匹配关系。低功耗耐高压单向比例 电磁铁的试验结果表明其额定行程为1 4 t o n i ，额定输出力为9 6 n ，线性度高，滞环小，具 有良好的动态特性，额定稳态功耗仅为9 5w ，线圈温升低。低功耗耐高压双向线性力马 达的试验结果表明其额定行程为士1r a i n ，额定输出力为+ 1 0 0n ，具有1 0n m m 的正磁弹簧 刚度，线性度高，滞环小，具有良好的动态特性，额定稳态功耗仅为8 3w ，线圈温升低。 作为低功耗耐高压单向比例电磁铁的实例应用，成功地研制了一种低功耗先导式溢流阎， 并对其稳态和瞬态特性进行了仿真与试验研究。 有关各章内容分述如下： 第一章从电液伺服比例阀用电机械转换器和电磁阀低功耗技术应用的角度出发，探 讨了低功耗比例电一机械转换器关键技术的研究进展，分析总结了阀用电一机械转换器的结 构和低功耗特点以及发展趋势。 第二章基于动铁式电机械转换器的功能转换关系及其效率分析，概述了多种降低功 耗的方法；针对典型动铁式比例电机械转换器的结构特点，提出了低功耗策略，并在单 向比例电磁铁和双向线性力马达的具体耐高压结构中得到了应用 第三章建立了两种低功耗耐高压比例电机械转换器的磁路分析模型，分别得出了静 态输出力表达式，初步分析了结构参数或磁路参数对静态力特性的影响；建立了有限元数 浙江大学博士学位论文 摘要 值分析模型，通过仿真详细阐述了结构参数的作用机理，结合磁路分析结果明确了两种低 功耗耐高压比例电机械转换器的具体结构参数，并阐述了其工作特点；分析研究了电磁 机构的能量损耗组成、成因，理论计算方法以及线圈温升特性。 第四章介绍了力特性测试系统的组成、原理、误差分析和试验方法，分析了放大器性 能及测试方法对测试结果的影响；基于搭建的力和位移特性测试系统，获得了两种低功耗 耐高压比例电机械转换器的静动态特性试验结果，并与仿真结果作了对比；试验研究了 两种低功耗耐高压比例电机械转换器的功耗及线圈温升特性。 第五章作为低功耗耐高压单向比例电磁铁的应用实例，研制了一种低功耗先导式溢流 阀；建立了该溢流阀的仿真模型，通过仿真获得其稳态和瞬态特性，并探讨了低功耗单向 比例电磁铁的结构和性能参数对溢流阀稳态特性的影响；建立了压力控制阀试验台，获得 低功耗先导式溢流阀的稳态特性和瞬态特性试验结果，并与仿真结果作了对比 第六章概括了全文的主要研究工作和成果，并展望了今后需进一步研究的工作和方 向。 关键词：比例电机械转换器；低功耗；耐高压；电磁铁；力马达；溢流阀；磁路；磁场； 有限元；仿真；试验 n i 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a sk e yc o m p o n e n t so fe l e c t r o h y d r a u l i cs e r v o p r o p o r t i o n a lv a l v e s ，t h ep r o p o r t i o n a l e l e c t r o m e c h a n i c a lc o n v e r t e r sh a v ep l a y e da l li m p o r t a n tr o l ei nt h ee l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e m so fm a n yn a t i o n a ld e f e n s ea n dc i v i li n d u s t r i e ss u c ha sa e r o s p a c e ，m i l i t a r y , m a c h i n et o o l ， m i n i n g ，m e t a l l u r g ya n dc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y w i t ht h ee v e r - i n c r e a s i n gd e m a n d so fi n d u s t r y s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，r e q u e s t sf o rh i g h e ra n db r o a d e rp e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o r t i o n a l e l e c t r o m e c h a n i c a lc o n v e r t e r sh a v eb e e np u tf o r w a r d r e d u c i n gp o w e rc o n s u m p t i o no ft h e p r o p o r t i o n a le l e c t r o m e c h a n i c a lc o n v e r t e r sc o u l dr e d u c ec o s ta n dc o i lt e m p e r a t u r er i s e t o i m p r o v e w o r k i n gs t a b i l i t y , e s p e c i a l l yu s e di nm a n yi n d u s t r i e sw h i c ha r es h o r to fp o w e rs u p p l y s u c ha sa e r o s p a c e ，d e e ps e a , f i e l do p e r a t i o n , a n dh a sc o m et oah o tt o p i co fr e s e a r c ho nt h e e l e c t r o m e c h a n i c a lc o n v e r t e r s r e s e a r c ho nt h el o w - p o w e rp r o p o r t i o n a le l e c t r o m e c h a n i c a l c o n v e r t e r sw o u l dh e l pt ob e t t e rm e e tt h ee v e r - i n c r e a s i n gn e e d so fm a r k e ta n ds u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n tf o re n e r g yc o n s e r v a t i o n b a s e do nt h e o r ya n a l y s i s ，a n a l y t i c a lc o m p u t a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l s t u d y , t h el o w p o w e rp r o p o r t i o n a l e l e c t r o m e c h a n i c a lc o n v e r t e r sa r e s y s t e m a t i c a l l y , d e e p r e s e a r c h e di nt h et h e s i s a d o p t i n gal o w - p o w e rs t r a t e g yb yi n t r o d u c i n gd o u b l er a d i a lo p e r a t i n g a i r g a p sa n dr e d u c i n ga x i a ln o n o p e r a t i n ga i r g a p s ，al o w - p o w e ru n i - d i r e c t i o n a lp r o p o r t i o n a l s o l e n o i df o rh i g hp r e s s u r ei s p r e s e n t e d b e s i d e s ，w o r k i n gi n d i f f e r e n t i a lm o d ew i t ht h e p e r m a n e n tp o l a r i z i n ga n dc o n t r o lf l u xi n t e r a c t i o n s ，al o w - p o w e rb i d i r e c t i o n a ll i n e a rf o r c em o t o r f o rh i g hp r e s s u r ei sp r e s e n t e d w i t hm a g n e t i cc i r c u i ta n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，t h e a c t i o nm e c h a n i s ma n dm a t c h i n gr e l a t i o n so ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t h e t e s tr e s u l t si n d i c a t et h es o l e n o i dh a sr a t e dw o r k i n gr a n g eo f1 4n l n ，r a t e do u t p u tf o r c eo f9 6n ， h i g hl i n e a r i t y , l o wh y s t e r e s i s ，g o o dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，r a t e ds t a b l ep o w e rc o n s u m p t i o no f m e r e l y9 5 彤a n dl o wc o i lt e m p e r a t u r er i s e 。t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h ef o r c em o t o rh a sr a t e d w o r k i n gr a n g eo f + lr a i n ，r a t e do u t p u tf o r c eo f + l 0 0n ，p o s i t i v em a g n e t i cs p r i n gs t i f f n e s so f10 n m m ，h i g hl i n e a r i t y , l o wh y s t e r e s i s ，g o o dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，r a t e d s t a b l ep o w e r c o n s u m p t i o no fm e r e l y8 3w ：a n dl o wc o i lt e m p e r a t u r er i s e a sa na p p l i c a t i o ne x a m p l eo ft h e l o w - p o w e ru n i - d i r e c t i o n a lp r o p o r t i o n a ls o l e n o i d ，al o w - p o w e rp i l o tr e l i e fv a l v ei ss u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d ，a n dt h es t a b l ea n dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a l v ea l eo b t a i n e db ys i m u l a t i o n a n dt e s t t h em a i nc o n t e n to fe a c hc h a p t e ri ss u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： i nc h a p t e rl ，f r o ms t a n d p o i n t so ft h ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o n v e r t e r sf o rt h ee l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o p r o p o r t i o n a lv a l v e sa n da p p l i c a t i o no fl o w - p o w e rt e c h n i q u ei nt h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v e s ， t h er e s e a r c hp r o g r e s so ft h el o w - p o w e rp r o p o r t i o n a le l e c t r o m e c h a n i c a lc o n v e r t e r si si n t r o d u c e d t v 浙江大学博士学位论文a b s t r a c t i h es t r u c t u r a la n dl o w p o w e rf e a t u r e , d e v e l o p m e n tt r e n do ft h ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o n v e r t e r s f o rv a l v e sa r es u m m a r i z e d i nc h a p t e r2 ，b a s e do na n a l y s i so fe n e r g yc o n v e r s i o nr e l a t i o na n de f f i c i e n c yo f m o v i n g i r o n t ) ，p ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o n v e r t e r s ，s e v e r a lm e t h o d sf o rr e d u c i n gp o w e rc o n s u m p t i o na r e s u m m a r i z e d d u et ot h es t r u c t u r a lf e a t u r eo fc l a s s i c m o v i n g i r o nt y p e p r o p o r t i o n a l e l e c t r o m e c h a n i c a lc o n v e r t e r s ，al o w - p o w e rs t r a t e g yi sp r e s e n t e da n da p p l i e di nt h es p e c i f i c h i g h - p r e s s u r es t r u c t u r eo fb o t hu n i - d i r e c t i o n a lp r o p o r t i o n a ls o l e n o i da n db i - d i r e c t i o n a ll i n e a r f o r c em o t o r i nc h a p t e r3 ，t h em a g n e t i cc i r c u i tm o d e l so ft w ol o w - p o w e rp r o p o r t i o n a le l e c t r o m e c h a n i c a l c o n v e r t e r sf o rh i g hp r e s s u r ea r ee s t a b l i s h e d ，a n di n f l u e n c e so ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so r m a g n e t i cc i r c u i tp a r a m e t e r so ns t a t i cf o r c ec h a r a c t e r i s t i c sa t ea n a l y z e da st h ed e s i g nb a s i s t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e l so ft h ec o n v e r t e r sa l ea l s oe s t a b l i s h e d ，a n dt h ea c t i o nm e c h a n i s mo ft h e s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t o g e t h e r 、) l r i t l lt h em a g n e t i cc i r c u i ta n a l y s i sr e s u l t s ， t h es p e c i f i cs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d ，a n dt h ew o r k i n gf e a t u r e so ft w ot y p e c o n v e r t e r sa r ea n a l y z e d t h e nt h ec o n s t i t u t i o n , c a u s e ，t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o do fp o w e r l o s sa n dt h ec o i lt e m p e r a t u r er i s ec h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y z e d i nc h a p t e r4 ，t h ec o n s t i t u t i o n , p r i n c i p a l ，e r r o ra n a l y s i sa n dt e s tm e t h o d so fat e s ts y s t e mf o r f o r c ec h a r a c t e r i s t i c sa r ei n t r o d u c e d i n f l u e n c e so ft h ea m p l i f i e rp e r f o r m a n c ea n dt e s tm e t h o d so n t e s tr e s u l t sa l ea n a l y z e d b a s e do nt h ef o r c ea n dd i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c st e s ts y s t e m s ，t h e s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft w ol o w - p o w e rp r o p o r t i o n a le l e c t r o m e c h a n i c a lc o n v e r t e r s f o rh i 曲p r e s s u r ea r em e a s u r e d ，a n dc o m p a r e d 研也t h es i m u l a t i o nr e s u l t s f u r t h e r m o r e ，t h e p o w e rc o n s u m p t i o na n dc o i lt e m p e r a t u r er i s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n v e r t e r sa r em e a s u r e d i nc h a p t e r5 ，a sa na p p l i c a t i o ne x a m p l eo fl o w - p o w e ru n i d i r e c t i o n a lp r o p o r t i o n a ls o l e n o i d ， al o w - p o w e rp i l o tr e l i e fv a l v ei sd e v e l o p e d b a s e do nt h ee s t a b l i s h e ds i m u l a t i o nm o d e l ，t h e s t a b l ea n dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a l v ea r eo b t a i n e d ，a n di n f l u e n c e so ft h es t r u c t u r a la n d p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h el o w - p o w e ru n i d i r e c t i o n a lp r o p o r t i o n a ls o l e n o i do ns t a b l e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a l v ea r ed i s c u s s e d t r o u g ht h et e s ts y s t e mf o rp r e s s u r ec o n t r o lv a l v e s ，t h e s t a b l ea n dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h el o w - p o w e rp i l o tr e l i e fv a l v ea r em e a s u r e d ，a n d c o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s i nc h a p t e r6 ，a l la c h i e v e m e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e rr e s e a r c h w o r ki sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：p r o p o r t i o n a le l e c t r o m e e h a n i c a lc o n v e r t e r s ；l o w p o w e r ；h i g hp r e s s u r e ； s o l e n o i d ；f o r c em o t o r ；r e l i e fv a l v e ；m a g n e t i cc i r c u i t ；m a g n e t i cf i e l d ；f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ；s i m u l a t i o n ；t e s t v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 鹰勇 签字日期： 如。穸年7 月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆苤鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 舌勇 导师签名： 签字日期：j 啪7 年7 月? 口日 丁q 签字日期：c 2 哆年7 只夕日 j 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 论文是在导师丁凡教授的悉心指导下完成的，论文从选题、研究方案的制定、实验方 法的确定，到最终定稿无不倾注着导师的智慧和心血。导师渊博的知识、富有创造力的思 维和丰富的工程实践经验，给予我深刻的启迪，使我在实践中得到极大的锻炼，并将使我 终生受益；导师严谨的治学态度、扎实勤勉的工作作风，诲人不倦的高尚品德和宽厚豁达 的人格修养，时时激励着我刻苦学习，鞭策着我在今后的人生旅途中奋发努力，锐意进取。 至此论文完成之际，谨向导师丁凡教授表示崇高敬意和衷心感谢! 特别感谢浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的傅新教授、王庆丰教授、杨华勇 教授、吴根茂教授、邱敏秀教授、李伟教授、陈章位教授、王宣银教授、周华教授、杨灿 军教授、顾临怡教授等对本人的帮助和支持。 课题研究过程中，得到了本课题组王传礼教授、李其朋副教授、方平博士、朱广宙硕 士、张策硕士、王洁硕士、柯明纯硕士、李宾硕士、崔剑博士、王媛媛硕士、黄时炜硕士、 满军博士、邵森寅硕士、李言军硕士、陈奕坚硕士，王素清博士，陈兴达硕士、贵忠东博 士、姜红刚硕士、姚健娣博士、袁野硕士、笪靖硕士、张力、三宅功一等师兄弟姐妹的大 力帮助和全力支持，在此深表感谢。有缘与他们一起师从丁凡教授，共同追索，得闻新道， 令我终身难忘。 由衷感谢同学胡亮博士、王海波博士、刘松国博士、王伟博士、徐志鹏博士、吴世军 博士、陈文昱博士、胡恒杰博士、徐晓彬硕士、金建波硕士、周晖硕士等对本人的关心与 支持。 感谢父母、家人给予我始终如一的关爱和照顾。特别感谢我的父母，我的每一分成长， 凝聚着你们的艰辛、牵挂和无怨无悔的支持。 感谢所有给予我帮助、指导和关心的老师、同学和朋友。 李勇 2 0 0 9 年5 月于浙大求是园 浙江大学博士学位论文第一章绪论 1 绪论 本章介绍了电液伺服比例阀的作用、特点、分类和构成，一方面就其研究现状从电 液伺肘比例阀用电机械转换器方面进行了详细的阐述，分析总结了其结构特点发展趋势； 另一方面从电磁阀低功耗技术应用方面进行了阐述，分析总结了阀用电机械转换器的低 功耗技术特点；介绍了阎用功率放大器、磁性材料和线圈散热技术等相关技术进展；简要 概括了本课题的研究意义、研究难点和主要研究内容。 1 1电液伺服比例阀概述 1 1 1电液伺肘比例阀的作用、特点及分类 液压技术是以液体为工作介质，实现信息、运动和动力的传递与工程控制的技术。作 为四大主要传动和控制方式之一，它具备能量密度高、控制性能好、响应速度快、易于实 现直线运动等技术优势，已广泛用于需对运动过程进行灵活控制和调节的大、中功率机械 设备中，成为农业、工业、国防和科学技术现代化进程中不可替代的一项重要的基础技术 随着现代科学技术的飞速发展，液压技术已经不再仅仅充当一种传动方式，而更多地 是作为一种控制手段，充当了连接现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁，成 为现代控制工程中的基本技术构成之一。近年来，微电子技术、传感检测技术、近代控制 理论和计算机技术得到了迅速发展，与此相对应，液压传动与控制技术也取得了质的飞跃。 多学科的交叉融合，使传统的机液伺服控制，已发展成为现代的电液伺服控制和电液比例 控制【1 5 】。 作为电液伺服控制系统的核心部件电液伺服阀，其作用是将输入的小功率的电信 号精确快速的转变为较大的液压信号( 液体流量或者压力) 输出，是一个大功率的电液 转换元件。它集中了电信号具有的传递快、线路连接方便、便于遥控、容易检测、反馈、 比较，校正和液压动力具有的输出力大、惯性小、反应快等优点，成为一种控制灵活、精 度高、快速性好、输出功率大的关键控制元件，通常作为控制元件用于响应要求快、精度 要求高的伺服控制系统中，其性能优劣直接决定着电液伺服控制系统的性能。 作为电液比例控制系统的核心部件电液比例阀，是在对普通的开关阀进行改进的 基础上，采用比例电磁铁作为电机械转换器，由电磁铁将给定的电信号转化为与其成比 例的输出力，实现对输出液压信号的比例控制的一种电液控制阀，输入电信号通常为几十 到几千毫安，输出力的大小为几十到数百牛。它的特性介于电液伺服阀与普通开关阀之间； 浙江大学博士学位论文第一章绪论 价格低廉；阀内压力损失较低，效率高；性能满足大部分工业控制要求。因此，它已在工 业控制领域得到了广泛应用。然而，这种普通电液比例阀，存在着一定的死区和滞环，与 伺服阀相比它的频响较低。因此，它除了适用于速度闭环控制以外，一般多用于开环电液 控制系统。在控制精度要求较高、响应快的其它闭环控制系统中，它的性能显得不足。 近年来，出现了一种性能与价格介于伺服阎和普通比例阀之间的控制阀高性能电 液比例方向阀( 又称比例伺服阎，伺服比例阀) 它具有传统比例阀的特征，采用比例电 磁铁作为电机械转换器，同时，它又采用伺服阀的加工工艺、零遮盖阀i = l ，其阀芯与阀 套之间的配合精度与伺服阀相当。目前伺服比例阀的控制性能，已达到或接近工业伺服阀 的水平，已能满足绝大部分工业领域闭环控制的要求，而相对于伺服阀来讲，伺服比例阀 的抗污能力较好，能耗仍然较低【6 捌 按照液压放大级数来分，电液伺服比例阀可分为单级阀( 直动式) 、两级阀和多级阀。 直动阀结构简单，响应快，抗污染能力强，可靠性高，无先导级泄漏，而多级阀则相反 多级阀的先导阀按照结构来分主要有喷嘴挡板式、滑阀式和射流管式三种，喷嘴挡板式灵 敏度高，响应快，输入功率小，但抗油液污染能力差，易堵塞；滑阀式增益大，线性度高， 但响应慢；射流管式抗污染能力强，但加工调试较为困难，性能预计较难把握【l ，9 1 。 1 1 2 电液伺肋比例阎的构成及原理特点 电信号机械量 液压力流量压力 图1 1 典型电液伺服比例阀的结构组成 电液伺舢比例阀典型结构如图1 1 所示，主要由电机械转换器、先导阀、主阀及反馈 元件等组成。若是单级阀，则无先导级；若是三级阀，则先导级为两级阀电机械转换 器将电信号转换为力、力矩，产生位移或角位移等机械量驱动先导阀；先导阎再将机械量 转换为液压力驱动主阀；主阀将先导阎的液压力转换为流量或者压力输出；反馈元件将主 阀控制口的压力或阀芯位移反馈到先导级的输入处，构成闭环反馈，实现闭环控制。 电机械转换器作为连接电液控制阀电气部分和液压部分的桥梁，是电液伺服比例阀 的关键元件之一。电机械转换器性能的好坏，能够直接关系到整个液压控制系统的性能 优劣，因此从电一机械转换器的角度分析探讨电液伺服比例阀的工作原理 2 浙江大学博士学位论文第一章绪论 目前，根据电机械转换器的结构型式和性能特点，主要可分以下几种类型： ( 一) 动圈式电机械转换器 它是基于载流导体( 即动圈) 在磁场中受力的原理而工作的，磁场励磁方式有激磁式 和永磁式两种，工程上多采用永磁式结构，只需一次充磁，因此尺寸紧凑，且能耗较低 其工作过程：永久磁铁在气隙中产生一恒定磁通，当载流线圈有直流电流流过时便受到一 输出力，改变线圈电流的大小和方向就可产生相应大小和方向的输出力和位移。其优点是 工作行程大，线性度高，滞环小，结构简单；缺点是体积较大，输入功率较大存在散热问 题，而且线圈因受油的阻尼较大而影响其动态响应。 ( 二) 动铁式电一机械转换器 它是基于衔铁在磁场中受力的原理而工作的，一般分为动铁式力矩马达和动铁式力马 达两类。它们的工作特点一般都是利用控制线圈产生控制磁场，叠加在原有的极化磁场上， 引起磁场的不平衡，改变不同工作气隙中的磁通，从而使衔铁得到与输入电流相应的净输 出力或者力矩。目前，动铁式力矩马达是电液伺服阀中应用最广泛的一种，具有响应快， 体积小，输出力矩大和灵敏度高等优点；缺点是线性范围小，因负弹簧刚度效应而存在稳 定性问题。动铁式力马达的推力重量比大，结构紧凑；缺点在于由于涡流、磁滞和摩擦等 影响致使线性较差。 ( 三) 伺服电机或步进电机 它是基于电机旋转带动伺服阀阀芯运动的原理。步进电机是用电脉冲信号进行控制， 并将电脉冲信号转换成相应的角位移输出。其优点是可以开环控制，性能稳定，输入信号 为数字信号便于与计算机联接，结构简单，维护方便；其缺点在于分辨率和精度受步距角 影响不能很高，且动态响应慢，效率低，驱动较为复杂。伺服电机驱动的优点在于结构简 单，缺点是响应慢。 ( 四) 基于功能或智能材料型 它是基于功能材料如压电陶瓷、电致伸缩材料、超磁致伸缩材料等材料或智能材料如 形状记忆合金等所具有的特殊物理特性而设计的电机械转换器。它们一般具有响应快、 输出力大等优点，但也存在转换装置体积大、位移输出小等缺点【1 , 1 0 , 1 1 。 1 2 国内外关键技术研究进展 1 2 1电液伺肥比例阎用电机械转换器 近年来，国内外电液伺服比例阀用电机械转换器的技术研究进展主要体现在结构的 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 创新和新型材料的应用。根据其类型的不同，对比例电磁铁、力力矩马达、伺服步进电 机和基于功能或智能材料型等四类电液伺服比例阀用电机械转换器典型方案加以介绍。 ( 一) 比例电磁铁 1 ) 耐高压单向比例电磁铁1 1 2 - 1 5 l 德国s c h a e t t l e rk g 公司研制一种阀用耐高 压单向阶梯环形比例电磁铁，结构如图1 2 所 示，由衔铁、极靴、导套、壳体、线圈、推杆 等组成。导套由非导磁的金属材料制成，内部 装有一个可移动的阶梯环形衔铁，衔铁与固定 的阶梯环形极靴相对应，形成一个径向气隙和 两个轴向气隙；衔铁与推杆中间存在间隙，形 推杆壳体极靴导套线圈衔铁轭铁 图1 2 单向阶梯环形耐高压比例电磁铁 成一个压力平衡通道，使得衔铁两端的容腔压力保持平衡。该电磁铁与典型比例电磁铁不 同在于无隔磁环部分，仅通过衔铁和极靴结构上的特殊设计，使之形成特殊形式的磁路， 从而使它获得水平位移力特性，结构简单。 2 ) 耐高压双向极化式比例电磁铁1 6 】 浙江大学流体传动与控制国家重点实验 室研制了一种耐高压双向极化式比例阀用电 磁铁，结构如图1 3 所示，采用左右对称的平头 一盆形动铁式结构。线圈采用恒流源供给电流， 激磁线圈通以一恒定激磁电流后产生极化磁 场；控制线圈通电后，便可在衔铁上得到与控 制电流的方向和数值相对应的输出力。此电磁 铁的输出力，可双向连续控制，无零位死区。 壳体激磁线圈控制线圈衔铁导套推杆 图1 3 耐高压双向极化式比例电磁铁 由于采用了特殊的盆口尺寸关系，保证了控制电流与输出力之间的比例特性。改交激磁电 流的数值，可改变电流力特性的增益大小，以及特性曲线的形状。该电磁铁把极化式原 理和合理匹配的平头盆形动铁式结构结合在一起，保证了该电磁铁在磁化曲线的最佳区域 工作。因此，不但消除了零位死区，而且特性线性度高，滞环小由于磁路的电感小，磁 滞小，因而电磁铁的动态响应好。 比例电磁铁作为目前电液比例阀中应用最广泛的电机转换器，是电液比例控制系统 4 浙江大学博士学位论文第一章绪论 的关键元件之一，其优点是电磁铁推力大，结构简单，价格低廉，维护方便、技术成熟。 此外，为了适应各种不同形式比例阀的需要，满足不同的使用场合和一些特殊工况要求， 国内外比例电磁铁还出现了插装阀式比例电磁铁，防爆比例电磁铁，内装集成比例放大器 式比例电磁铁，双向复合电磁铁等多种品种，为电液比例控制技术的进展提供了新的条件 s , 1 7 1 ( 二) 力力矩马达 1 ) 动铁式力矩马达【m s 图1 4 为一种典型动铁式力矩马达结构，它 由永磁体、上导磁体、下导磁体、衔铁、控制 线圈，弹簧管等组成。左右两块永久磁钢使上 下导磁体的气隙中产生相同方向的极化磁场。 没有输入信号是，衔铁与上下导磁体之间的四 个气隙距离相等，衔铁受到的输出力相互抵消 而使衔铁处于中间平衡状态。当输入控制电流 时，产生相应的控制磁场，它在上下气隙中的 方向相反，因此打破了原有的平衡，使衔铁产 上导磁体下导磁体永磁体线圈衔铁弹簧管 图1 4 动铁式力矩马达 生与控制电流的大小和方向相对应的转矩，并且使衔铁转动，直至输出力矩与负载力矩和 弹簧反力矩等相平衡。 动铁式力矩马达，常用作二级或多级电液伺服阀的电机械转换器，动态响应特别快、 动作灵敏、功率重量比大，通常作比例环节处理。但它的材料性能与制造精度的要求都比 较高，因而价格昂贵。它的控制电流较小， 几十毫安，所以抗干扰能力较差。 2 ) 动铁式力马达【1 9 2 2 】 仅 轴承线圈永磁体衔铁对中弹簧端盖 美国m o o g 公司研制了一种直动式伺服 阀用永磁极化式双向线性力马达，结构如图1 5 所示。包含一个线圈和两个永磁体，永磁体产 生极化磁场，提供部分所需要的磁场力。当线 圈不通电时，磁场力和弹簧力将使衔铁处于中 位；当线圈通入一种极性的电流后，内部磁场图1 5m o o g 双向线性力马达 5 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 一部分通过磁场叠加而增强，另一部分则通过磁场相抵而减弱，于是内部磁场将不再平衡， 这种不平衡将驱使衔铁向磁场增强的部分移动；反之，当相反极性的电流流过线圈时，衔 铁将反向移动。因此，线性力马达可以产生左右两个方向的输出力，相应地驱使衔铁产生 两个方向的位移。 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 研制了一种耐高压永磁极化式双向线性力马 达，结构如图1 6 所示。力马达包含两个线圈和 一个永磁体。当线圈不通电时，永磁体产生的 极化磁场作用使衔铁处于中位；当线圈通入一 种极性的电流后，线圈产生的控制磁场与极化 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；反之，当相反极 端盖壳体线圈永磁体衔铁导套推杆 图1 6 一种双向线性力马达 性的电流流过线圈时，衔铁将反向移动。该线性力马达的线性工作范围为士1m m ，磁滞小 于2 ，最大输出力为+ 6 0 n ，幅频带宽可达到1 5 0h z 。 基于动铁式力马达的直动式电液伺服阀不但具有较高的可靠性，而且功耗、加工精度 以及成本都相应降低，因此该类阀用以替代传统的抗污染性能差的两级伺服阀，具有广泛 的市场前景。 3 ) 动圈式力马达【2 3 2 5 】 日本k y b 和三菱公司设计研制了由动圈式力马达驱动的单级式和两级式m k 伺服阀， 结构分别如图1 7 、1 8 所示。单级阀主要由力马达、阀体、位移传感器三部分组成。力马 达采用动圈式，载流线圈放置在由磁极和导磁体所构成的气隙磁场内，产生的输出力推动 线圈运动，线圈运动又直接推动阀芯运动。其特点在于载流线圈与磁铁之间填充了具有冷 却与润滑及增强导磁性作用的磁流体，增强了力马达的性能；阀体部分作了特殊设计，使 阀芯运动产生的液动力减小；位移检测部分采用了电涡流位移传感器，利用其线性度高、 频带宽、调节方便、精度高等特点准确地检测阀芯位移。在阀芯两端有两块膜片用于把力 马达部分及位移传感器部分与油液隔开，这样在力马达和阀芯位移检测部分分别形成全干 武结构，防止因油液中污染物引起的误动作，保证了长期工作稳定和可靠性。 两级阀以直动式m k 阎为先导阀，用以驱动二级主阀芯。主阀芯的位移由差动变压器 6 浙江大学博士学位论文第一章绪论 式位移传感器检测反馈，从而形成两级电反馈。此外，在主阀与先导阀之间设计了减压阀， 给先导阀提供稳定的供油压力。 图1 7 单级m k 伺服阀 ( 三) 伺服步进电机 1 ) 无刷直流伺服电机【2 6 - 2 9 以无刷直流伺服电机作为驱动元件，可直 接驱动伺服阀的阎芯，其结构如图1 9 所示，电 机与驱动轴的转动通过偏心机构转换为阀芯轴 向位移，且阀芯位移与转角符合一定的比例关 系。这种阀的特点在于结构简单，抗污染能力 较好，可靠性高，控制比较灵活，而且制造装 配比较简单，但是阀的频响受传统电机频响的 限制。 减压阀主阀先导阀主阀芯主阀传感器 图1 8 两级m k 伺服阀 paob 图1 9 伺服电机驱动伺服阀 无刷直流伺服电机的发展以空心杯电枢无芯伺服电机和印刷电枢伺服电机为代表。空 心杯电枢伺服电机的结构如图1 1 0 所示，主要由