（电机与电器专业论文）电磁阀执行器——混合式直线力电机的特性分析.pdf

太瓣建工大学硕士攀垃论文 一一 a b s t r a c t h y b r i dl i n e a rf o r c em o t o r ( h l f m ) w h i c h h a sp e r f e c ts t a t i c a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dh i g hr e l i a b i l i t yi so n e k i n do fl i n e a r m o t o r s h l f mi s a p p l i e dw i d e l ya n dt h eb i s t a b l ee l e c t r o m a g n e t i c v a l v ei so l l eo ft h ea p p l i c a t i o n s t h em a i nr e s e a r c h e sb a s e do nt h e p r o t o t y p ea r es u m m a r i z e d a sf o l l o w s a ) t h ea n a l y t i c a l f o r m u l a sa r ed e r i v e db yv i r t u a l d i s p l a c e m e n t m e t h o da n dm a x w e l lt e n s o rm e t h o d ，r e s p e c t i v e l y t h ed i f f e r e n c e s b e t w e e nt h et w om e t h o d sa r ed i s c u s s e d b ) e q u i v a l e n t c i r c u i tm e t h o da n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) t o c o m p u t e t h es t a t i cf o r c ea r ep r e s e n t e d ，t h er e s u l t so b t a i n e db y e a c hm e t h o da r ec o m p a r e do n ew i t ht h eo t h e r e ) t h er e s u l t s o fd y n a m i cs i m u l a t i o n b ym e a n so ft h es o f t w a r e ， a n s o f ts h o wt h eh l f m sc h a r a c t e r i s t i c sw h e nt h em o t o rw o r k s i nt h es p e c i a lf r e q u e n c ya n ds i n g l es t r o k ea n dt h ec o n d i t i o n su s e d f o rp o s i t i o nc o n t r o l d 、t h em e a s u r e ds t a t i c t h r u s t d i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e d y n a m i ce h a r a e t e r i s t i o sd u r i n gs t a r t i n g s h o wg o o dc o r r e l a t i o n w i t ht h ec a l c u l a t e dr e s u l t s a l lo ft h er e s e a r c h e sa h e a d p r o v e t h a th l f m s e r v i n g a s 太原理工大学硕士学位论文 e l e c t r o m a g n e t i c v a l v eh a st h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t y k e y w o r d s ：l i n e a rm o t o r ，c o m p o s i t el i n e a rf o r c em o t o r e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e ，s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c ，d y n a m i cc h a r a c t e r 太原理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电磁阀的发展状况 在当今机电一体化高速发展的过程中，电液控制阀及其数字 控制技术的发展应用得到越来越多的重视。电液控制阀大体上可 分为伺服阀、比例阀和数字阀。而作为他们驱动部件的电磁阀， 由于其响应速度快、易于实现精密控制而得到越来越多的研究和 改进。其中高速开关电磁阀由于价格低廉，抗污染能力强而被广 泛应用在汽车工业、工程机械、航天领域及众多的家电行业等领 域中。 在八十年代，日本z e x e l 公司设计的一种名为d i s o l e 的电磁 阀，在设计中充分考虑了电磁线圈的散热特性、磁场的高密集度 和优化的磁力线方向，使它的最小响应时间为o 7 4 m s ，最大输出力 为2 0 0 n 。9 0 年代，日本电装公司设计了一种全新的电磁阀，它作 为压力开关响应时间小于o 4 m s ，工作能力可达1 2 0 m p a 。1 9 9 8 年， 德国在实验室研制成功集电磁阀和喷油装置于一体的喷油器，其 中电磁阀采用压电晶体制成，其相应频率可达l8 0 0 h z ，输出力为 2 0 0 n ，缺点是体积大，成本高。 我国对高速强力电磁阀的研究开始较晚。北京理工大学1 9 9 5 太原理工大学硕士学位论文 年研制出用于大功率柴油机的电液执行器电磁阀，其主要性能指 标为：最高工作频率2 0 0 h z ，开启响应时间3 m s ，关闭响应时间2 m s ， 体积0 3 0 7 5 m m 。1 9 9 7 年清华大学研制出电控直列泵一管一阀一嘴 柴油喷射系统用高速强力电磁阀。该阀开启时间小于1 m s ，最大 推力为4 0 0 n ，体积为d 3 5 4 0 m m 。浙江大学在2 0 0 0 年用国产的 超磁致伸缩材料( g m m ) 开发出高速( 启闭响应时间均小于 0 5 m s ) 、强力( 输出力大于1 0 0 0 n ) 、大位移( 大于0 15 m m ) 的 电磁阀，它将用于柴油电子喷射系统中，整个系统目前还处在试 验阶段。 目前，在自动控制和传动系统中执行快速动作往复运动时， 亦常采用带弹簧的电磁铁装置。通电后电磁铁动作使执行元件运 行，断电后靠弹簧恢复力拉回到初始位置。由于电磁铁动作须克 服弹簧的阻力，功耗较大，装置也复杂，且弹簧寿命有限，时常 有断裂现象发生，可靠性差，这就是电磁铁装置的应用范围有一 定的限制。本文的混合式电机能克服此类问题，本电机采用方波 驱动，在对称平衡位置附近做线性运动。该电机断电后能自行停 在两个稳定状态中的任一端，而不再需要弹簧的恢复力作用。用 这种电机可直接驱动各种阀门，具有控制方便，快速响应的优点。 电磁阀按运动方式分有直线式和旋转式。在旋转式电磁阀中， 由于还需机械式转换器将旋转运动转换成直线运动，增加了机械 损耗，延时了动作时间。例如在用步进电机驱动的数字流量阀中， 计算机发出需要的脉冲序列，经驱动电源放大后使步进电机工作， 奎垦翌三查兰婴主兰垡! 鎏三- 每个脉冲使步进电机沿给定方向转动一个固定的步距角，在通过 凸轮或螺纹等机构使旋转角转换成位移量，带动液压阀的阀芯移 动一定的距离。与旋转式相比，直线式结构简单、控制及应用都 更加方便，因此也得到了更多的关注。所以用作电磁阀的直线式 电机也就成为我们研究的对象1 7 1 。 1 2 直线电机简介 直线电机的结构可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型等。 可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。 以电磁原理工作的各种形式的直线电机是提供大功率、高推力的 主要执行元件。由于它能直接产生连续单向或往复短行程的直线 机械运动，而不需中间机械传动变换装置，而在国民经济各个部 门都获得了应用。在工业直线传动、电磁泵、自动开关及其它众 多领域都有应用。如用作空调或电冰箱中的空气压缩机；各种电 磁阀门；电力行业中的真空断路器；油田中的打油装置；在航天 飞机、人造卫星和核反应堆中用的电磁泵：在建筑领域用的建筑 打桩机；工业中用的带锯和往复锯等。 在众多类型的电机中，永磁直线电机作为特种电机，由于采 用了永久磁铁来产生磁场，使得电机具有结构简单、体积小、损 耗少、电机的形状和尺寸可以灵活多样等优点。近年来由于我国 稀土永磁材料应用的发展及电机设计的改进，永磁电机的应用有 太原理工大学硕士学位论文 了更加长足的发展【8 】【叭。 1 3 直线力电机的应用 根据适用场合的不同，直线电机有多种。本文所研究的电机 是混合式直线力电机，它是由加电线圈和永磁来共同励磁。力电 机是指单位输入功率所能产生的推力或单位体积所能产生的推 力，主要用于在静止物体上或低速的设备上施加一定的推力的直 线电机。力电机以短时、高速、强力输出为主要运行特点。该电 机是用作开闭双稳态的电磁阀执行器，具有出力大，行程大，特 性好等优点，而且由于其良好的静特性仿真结果，加入一定的控 制策略可实现电机的位置控制，是值得做更深层次研究工作的。 德国m o o g 公司生产的液压比例电磁阀d d v 的系列产品中，即 采用的是混合式直线力电机。它采用位置、速度、力的闭环控制。 它结构合理，具有良好的工作特性d o 。 1 4 本文研究内容 我国对于直线电机的研究近年来有一定的进展，但对于混合 式的直线电机而言，在我国各高校及各研究院所对他进行的研究 却是微乎其微。特别是，本文所研究的电机是以磁阻原理工作的 动铁圆筒型的直线力电机，使其更加具有了特殊性。本文在制作 太原理工大学硕士学位论文 了样机的基础上，对此种结构的直线力电机做了较全面的研究。 内容包括： 1 控制电路的搭制 为了研究电机在一定工作频率下的动作特性，我们自行搭制 了h 桥式双极性功率电路。因为电机的工作电流较高，所以电路 中选用了反向耐压和额定电流都较大的大功率管来保证电机的正 常驱动【1 1 】 13 1 。 2 电磁场的计算与分析 电磁场的计算方法有很多。本文中分别采用了磁路法计算和 数值计算两种。 磁路法计算时，针对等效磁回路列出回路方程，在分别讨论 了能量法【1 4 1 和麦克斯韦张量法【15 1 计算动子所受电磁力的计算公 式之后，利用此公式得出静态力一位移的特性曲线。 数值计算的方法有多种，其中采用场域分割法的主要包括有 限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 和有限元法( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 。他们有各自的应用范围，但是有限元法的 应用领域最广，如在求解电磁场、热传导、流体力学等各个领域 都有应用 1 6 1 。 有限元的基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一 定方式相互联结在一起的单元的组合体，然后对每个单元分析， 得出单元的方程式，在此基础上将所有单元综合起来进行总体合 成，建立系统的联立方程组。由于有限元法的单元剖分、节点配 太原理工大学硕士学位论文 置比较任意，并可根据需要，在精度要求较高的区域局部加密剖 分，因此可使总体计算的工作量得到合理的节省；对于具有不规 则边界和形状复杂的内部交晃面，有限元法也能做到较好的逼近 和处理。但其也有一定的不足之处。其缺点主要有：求解场域内 场量变化剧烈的区域时，要剖分成很多单元，要求求解大型代数 方程组，计算工作量很大；对于无界场域问题，只能近似成有界 区域问题求解，这样会产生一定的误差等。但用有限元法对电机 特性进行磁场计算仍然已经成为一种有效而且被广泛采用的计算 方法。本文中所采用的a n s o f t 仿真软件就是以有限元计算为依据 的。 a n s o f t 软件在机电系统仿真方面具有全球领先的地位。其中 m a x w e l l2 d 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场 有限元分析软件，一般在电磁物体满足轴向均匀或r z 对称的条件 下采用。它可对电机进行静磁场参数计算和暂态磁场计算。本电 机是圆筒型结构，可在r z 对称平面内处理。本文用此软件对电机 在静态时进行了一系列分析，并与用磁路法进行的计算做了比较。 之后对电机的暂态进行计算，对电机的起动及频率特性进行了分 析，之后又做了电机开环位置控制的仿真1 1 7 卜1 19 1 。 3 试验的测试 对样机在静态时做了静态力一位移特性实验；在动态时做了 空载条件下，动子开、合闸时的动子位移和电流波形的测量。为 了考察样机的连续工作特性，还特别测试了样机在一定工作频率 太原理工大学硕士学位论文 下的位移和电流波形。并将实验结果与仿真结果进行了比较分析a 静态实验在去除掉实验误差的基础上与仿真结果有较好的对应。 动态实验的结果很好的验证了仿真模型的正确性。 小结： 本章简要地介绍了直线电机和电磁阀的发展现状，介绍了本 文所研究的直线力电机在电磁阀上的应用，并对本文所做的研究 工作做了总体概述。 太原理工大学硕士学位论文 第二章直线力电机的总体设计 为了能很好的研究直线力电机在用作电磁阀时的工作特性， 自行设计制作了实验样机。它的内部为圆筒型结构，外形在不影 响它的工作特性的基础上设计成方形。本章将详细介绍直线力电 机的结构、工作原理及为了研究其特性所作的控制电路。 2 1 结构设计 直线力电机在设计时考虑了作为电磁阀使用时的外部工作环 境，由受力的动子带动内轴运动来控制阀门挡板的吸合与关闭。 图2 - l 直线力电机外观图 太原理工大学硕士学位论文 图2 1 是样机的实际外观图。样机沿对称轴心的剖面图如图 2 2 所示。此直线力电机为圆筒型直线电机，在图中以v 轴为对称 轴，只显示其上半部分。 图2 2 直线力电机结构 1 铁极2 、7 永磁3 动铁4 、8 外端环 5 外筒6 励磁线圈9 内轴 各部分所选材料见表2 1 。由外筒6 、永磁2 、8 、铁极1 、4 、 9 和动铁3 组成闭合磁回路。永磁体采用的是两个圆环式轴向充磁 的永久磁铁，考虑到此样机是在一般的工况下工作，所以本次设 计中选用了第三代稀土永磁材料钕铁硼( n d ：凡。b ) 。该永磁材料 具有许多优点，比如：它的去磁曲线基本为一条直线，不易去磁： 而且剩磁( b ，) 和矫顽力( h 。) 都较大，以及价格适中等等。安 装时两个永磁环的磁极相对( 即两个圆环内侧极性相同) 。动子由 动铁3 和内轴5 咬合组成。内轴为非导磁材料，由动铁3 受电磁 太原理工大学硕士学位论文 力后带动它做左右的往复运动。外端环4 、9 和动铁3 之间为两个 工作气隙，此两个工作气隙的长度即为动子的运动行程。通过调 整两个外端环的深入长度即可调整动子的最大行程。铁极l 的存 在是为了使磁路闭合( 后有图示) ，设计成台式结构，是为了改善 磁路特性减少在永磁与动铁之间的非工作气隙的漏磁。 袁2 1直线力电机相关结构参数 永磁材料钕铁硼励磁线圈匝数1 0 3 3 匝 内轴材料黄铜励磁线圈电阻 2 1 2 q 铁极材料 a 3 动子质量 o 0 8 k g 动铁材料a 3 绕线直径 0 4 6 m m 外筒材料 a 3 外端环材料 a 3 电机质量 4 k g 电机体积5 x 1 0 - 4 m 3 2 2 工作原理 根据能量最小原理，磁力线总是具有沿着磁阻最小的路径闭 合并力图缩短磁通路径以减小磁阻的本性。混合式直线力电机亦 根据此原理，由永磁和励磁线圈产生的磁场共同作用在动铁与外 端环之间的气隙中，由于两端磁密不平衡，动铁要向磁密大的一 端运动，靠近外端环直至相接使磁阻最小。此力电机用作电磁阀 时为双稳态电磁阀，即当线圈不通电时，由于两个相对永磁的作 用，在中心处为非稳定平衡状态，而动子只会停留在行程的两端。 查垦堡三查兰堡圭兰垡笙兰 所以用在电磁阀中时，电磁阀起、闭二状态皆稳定，不用加电流 保持。 图2 - 3 磁路示意图 图2 4 磁力线图 直线力电机的工作原理图如图2 3 所示，图2 - 3 ( b ) 为2 - 3 ( a ) 中磁 场叠加后的磁路路径示意图。当线圈中通入电流厶，该电流产生 磁通驴，此时在左端工作气隙1 中的磁通a 驴。一p ，设 驴。a 驴， 则驴，0 ，而右端的工作气隙2 中的磁通 太原理工大学硕士学位论文 中? 。驴。十驴一2 驴。显然此时动子将会向右运动以试图缩短磁通 路径，所以动子受到向右的水平电磁力。 图2 - 4 ( a ) 、( b ) 分别为动子在两端时实际的磁通路径。在如图 所示的电流方向及永磁的充磁方向下，动子在最左端时，右端气 隙磁场的磁密要略大于左端磁密，动子受到较小的向右的水平电 磁力，要向磁密强的一端运动。在此过程中，右端磁密持续增强， 左端磁密逐渐减弱，则向右的电磁力持续增加，当动子运动到最 右端时，右端气隙磁阻约为零，磁密达到最大，电磁力也达到最 大。此时给电流换向，则动子将受到向左的电磁力，开始向左运 动。如此给线圈加周期性的正反向脉冲电流，即可实现动子的往 复运动。 2 3 控制电路 2 3 1 控制策硌 为研究该电机在一定工作频率下的运行特性，需要控制电路 能产生等幅的正反向脉冲。这些脉冲序列，可由逻辑电路产生， 也可由微型计算机来产生。图2 5 、2 6 分别给出了这两种控制系 统的结构框图。 微机控制系统与逻辑控制系统相比，显然在控制功能上会有 很大的提高，控制的灵活性大大增加。随着微机技术的发展，可 以以较低的成本实现更多的控制功能，是一直以来电机控制的发 1 2 太原理工大学硕士学位论文 展方向。 划耋鏊葺辊“a 十， wl 图2 - 5 逻辑控制系统框图 信号转换 放大电路 功率放大 电路 图2 - 6 微机控制系统框图 直线力电 机 从控制方式看，控制系统又分为开环控制和闭环控制。图2 7 为用于电机控制的闭环控制系统图。 给定 图2 7闭环控制系统框图 对于要实现流量精确控制的电磁阀而言，就要求该电机的动 子能被精确定位，以保证能准确地按要求停在行程中的某点。这 1 3 太原理工大学硕士学位论文 就要求用闭环控制系统来实现。系统中有动子的位置检测、速度 检测元件与相应的反馈回路和比较单元以及电流的反馈信号等。 位置调节器将位置给定信号与位置反馈信号之差值通过调节器进 行动态校正，然后送至速度调节器、电流调节器，即经过外环、 中环、内环三个闭环调节器的校正再由模拟功率接口驱动该电机， 实现位置伺服控制。 这种经典的闭环伺服控制由于采用了模拟接口电路，性能难 提高，般在小功率、低成本的场合中采用。而现在由于数字电 路的发展，则更多的场合可由计算机控制器来完成。计算机控制 在可靠性、小型化等方面都是经典的模拟伺服系统无法比拟的。 闭环控制系统可以在很大程度上改善电机的运动方式，但此 控制的实现较为复杂，对于本文所研究的只用作压力开关的电磁 阀，则只需要开环控制。 2 3 2 功率电路 一般而言，在几百瓦以下的伺服系统中可以采用直接模拟驱 动控制。它们的问题是驱动电路的效率低，发热严重。优点是线 路简单、静态特性好。 本文采用5 5 5 定时器作为开关电源的主控元器件，将其接成 占空比可调的方波发生器。由5 5 5 发出的脉冲序列( y 1 ) 经7 4 l s 0 4 反向器反向后输出( y 2 ) ，y i 和y 2 两路驱动信号同时作用到后续的 h 桥式功率电路上( 图2 - 9 中的a 、b 处) 。功率驱动电路的输入 1 4 奎璺型茎墅堕型丝旦 信号波形如图2 - 8 所示。 y ，厂 厂 厂 y ： 厂 厂 图2 8 驱动电路的输入波形 y v 1 5 4v 图2 9h 桥驱动电路 本样机要求绕组能正、反向励磁，即要求励磁绕组能够双极 性供电。对电机绕组双极性供电的典型结构是h 桥电路。由于可 对电机绕组施加如双极性电源，使电机两个方向运动，故这种 方法又称为双极性驱动器。 功率模块具有更紧凑的结构，每个模块内封装多个功率开关 太原理工大学硕士学位论文 元件和续流二极管，直接构成h 桥。小瓦数功率集成电路内甚至 已经封装入每个功率开关的基极驱动电路。例如l 2 9 8 ，它内含双h 桥以及基极驱动电路，在功能上已经满足一个完整的功率驱动接 口的要求。 本文采用自行搭制的桥式电路，如图2 9 所示。用e d a 仿真 软件( e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h ) 进行电路仿真。由于需在负载上通 过两安培以上的电流，故选用大功率三极管3 d d l 5 d 作为工作三极 管( 0 5 ，q 6 ，q 7 ，q 8 ) 。由q 1 、q 2 管分别控制0 3 、q 4 管的导通。当 q 1 管高电平导通时，使q 7 截止q 3 导通从而q 5 导通，同时，对于 左半桥，q 2 管为低电平截止，r 2 使q 8 基极被钳制在高电位而导 通，q 4 截止，所以此时电流将经q 8 、q 5 从负载上流过。半个周期 后，0 7 、0 6 管同时导通，负载上将流过反向电流。从而使负载r l 上有不间断的正反向电流流过。由此来控制动子做左右的往复运 动。调节5 5 5 中的电阻值即可调节脉冲频率，从而控制电机动子 的动作频率。 小结： 本章详细介绍了直线力电机的结构和工作原理，并对控制和 驱动电机做往复振动的控制和功率驱动回路做了简要介绍。 太原理工大学硕士学位论文 第三章静态特性的磁路法分析 混合式力电机的静态特性主要是对电机在不同位移处所受静 推力的计算，而这是在磁场分析的基础上进行的。本章将用磁能 法和麦克斯韦张量法推导静推力的计算公式，之后用等效磁路法 作电机静态力特性的计算。 3 1 静推力计算 静态力一位移特性是直线电机最基本的特性，也是动态分析 的基础。电机设计中的所有尺寸，包括永磁体的参数、绕组的布 置都是为了在一定电流的前提下获得所需的力特性。而研究铁磁 物质即直线力电机中的动铁在磁场中的受力，经常采用的有麦克 斯韦张量法和能量法。 能量法又称为虚位移法，它是将整个机电系统中的能量损耗 部分( 例如线圈电阻、摩擦力等) 除去，把电机当成一个保守系 统。以磁能为状态函数，求即时磁能时总等效为可动部分静止在 即时状态的位置上，而与之前的运动状态无关。电磁力的大小等 于单位微增位移时磁共能的增量( 电流约束为常量) 或磁能的负 增量( 磁链约束为常量) 。当磁路为线性系统时，即不考虑磁路的 太原理工大学硕士学位论文 饱和影响时，磁能与磁共能等值。 当电流恒定，而且磁路为线性磁路时，对于本电机的电磁力 推导公式如下： 厂：擘：攀：呈帆+ 既：+ w o ) 出 o xo x ( 3 1 ) ：鱼型+ 鱼丝! ! 盟+ 一n i o ( x ) 2苏2良 2o x 式中， ：电磁力； 岷、：气隙耦合磁场的磁共能、磁能； 。，： 分别为两个永磁环的磁能； 呒： 励磁线圈的磁能； e 。，e ：永磁磁势； o 。l ，西。：永磁磁通； o ：励磁绕组产生的磁通； 胍励磁绕组产生磁场的磁势； x ：动子位移( 中心位置处为0 ) 。 用能量法的概念作有限元中电磁力的计算时需要两个有限元 解，而且参与计算的是所有的网格单元，特别是当剖分密度较高 时，计算量将很大。而用有限元计算电磁力时采用的是麦克斯韦 张量法，它计算电磁力要简单许多。麦克斯韦张量法是通过对气 隙封闭表面的面积分来得到运动部分所受的电磁力。对于本文中 的电机只要对动铁进行面积分，计算其左右两个侧面所受电磁力 的和即为动铁所受电磁力。其一个侧面的电磁力计算式为： 太原理工大学硕士学位论文 州= ( 三删) s = 裂 式中s 为动子侧面面积。 3 2 等效磁路法分析磁场静特性 ( 3 - 2 ) 对含有永磁体的磁路的计算与常规的磁路计算有所不同。主 要是对永磁体需要进行等效处理。电机在运行过程中，永磁体向 外磁路提供的磁动势和磁通都是变化的。可以将永磁体等效为一 恒磁通源与一恒定内磁导相并联的磁通源，亦可等效为一磁动势 源与恒定内磁阻相串联的磁动势源。本文采用后者【2 0 1 。 电机的主磁通路径如图3 - 1 所示( 忽略漏磁部分) 。根据磁通 路径得出电机的等效磁路模型如图3 2 图3 - 1 磁通路径示意图图3 - 2 等效磁路模型 磁路计算时首先需确定各磁阻的计算式。取磁路的平均长度 和平均面积进行计算。在等效磁路图中，各参数的计算公式如下： 太原理工大学硕士学位论文 2 去即苦 妒筹1s舻土p o s o ( 3 3 ) o g 。 其中，上。：永久磁铁的长度； 三。： 动铁与铁极之间的气隙长度； s 。： 永久磁铁的截面积： s g ： 动铁两端气隙的截面积； ： 动铁与铁极之间的气隙平均截面积； “o ： 空气中的磁导率； p 。： 永磁的磁导率； 8 ：动铁在中心位置时与边端的气隙长度。 由于永磁的磁导率。等于空气隙的磁导率胁的1 0 5 到1 1 倍，所以在磁路计算中可以近似的认为二者相等，即。= 。= 4 n 1 0 h m 。又由于动铁与铁极之间的气隙磁阻与永磁磁阻相比极 小，可忽略，故计算时忽略月o 。 根据图3 - 2 的磁路模型及合理的简略，利用磁路的基本定律， 列出磁回路方程组如下： r ( r ，+ r i 净。+ r ，m 一c = 0 划埘 太原理工大学硕士学位论文 从图5 8 、5 - 9 中可以看出，在绕组中分别通入1 6 5 a 、1 4 2 a 、 1 1 8 a 的电流时，动子分别停在3 1 6 m m 、2 4 6 m m 、1 1 8 m m 处， 动子振动的最大速度也由1 0 0 m m s 降到5 0 m m s ，动子在静止时所 受到的弹簧力也依次减小，分别为13 0 n 、7 7 n 和5 5 n 。由此可见， 直线力电机可以依靠改变电流值来实现位置控制。但这种开环控 制不能实现电流与位移之间的线性调节，而且在行程较大的地方 动子会出现微弱抖动的现象，这就需要加入位置检测的闭环控制 来进一步的调节。 小结： 本章在建立了动态微分方程的基础上对电机的动态特性进行 了分析，研究了动态方程中参数电感的特性。对电机在6 6 7 h z 时 的振动特性和动子做开、合闸运动时的各种特性作了试验与仿真 的比较。试验很好的证明了仿真结果的正确性，并做了动子位置 控制的仿真计算。 太原理工大学硕士学位论文 结束语 本文混合式直线力电机的设计和制作是将其作为开、闭双稳 态电磁阀来考虑的。它采用混合式励磁的方式，在开闭两个状态 均不需电流保持。它的行程可调，一般的工作行程为5 m m ，工作电 压为4 0 5 0 v ，响应时间为7 4 m s ，最大出力为4 5 3 n 。 这种结构的混合式直线力电机有良好的静特性和动特性，用 样机做的实验也证明了此点，故直线力电机可在本文所做研究的 基础上作进一步的研究，考虑用闭环控制使电机动子的运动能被 精确定位，并使绕组电流与动子位置之间保持线性比例的关系， 这样直线力电机就可用在流量控制的电磁阀中。这需要建立复杂 的负载力模型，还需对电机的结构作进一步的优化设计，并且需 要复杂的控制环节，所以该电机有做进一步深入研究的必要。 太原理工大学硕士学位论文 符号表 占：动子在平衡位置时的气隙长度；a ：气隙磁导； 中o ，2 ：永磁磁通；：空气磁导率； 0 4 ：励磁绕组产生的磁通；。：永磁磁导率； 尻：磁通密度法向量；县绕组中的反电动势 厂：电磁力；e ：绕组中的运动电势 n ：励磁绕组的电流磁势； 。，：永磁磁势； f ，：电机所受负载力；日：磁场强度切向量： ，：绕组电流；以：面电流密度； 凰：粘滞阻尼系数；三：线圈电感： 三。：永久磁铁的长度；