新型比例阀用动圈式电机械转换器.doc

新型阀用动圈式电机械转换器宋宗南，许小庆，高宇 (太原理工大学机械工程学院，山西省太原市030024)摘要：为满足高响应大流量伺服比例阀先导级的驱动要求，介绍了一种永磁体径向充磁的动圈式电机械转换器的结构方案，优化了磁路结构，对输出特性和磁场分布进行了分析。FEM软件分析表明该动圈式电机械转换器具有双向驱动能力，输出力值大，波动性小，具有良好的线性度，可以满足高响应大流量伺服比例阀先导级驱动的要求。关键词：动圈式；电机械转换器；线性度；径向充磁New Moving Coil Electro-mechanical Transformer Used in Servo Proportional ValveSONG Zong-nan，XU Xiaoqing，Gao Yu（Institute of Mechatronics Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，Shanxi， China）Abstract: In order to develop a fast response electro-mechanical transformer used to drive the pilot stage of large flow rate servo proportional valve, a moving coil Electro-mechanical Transformer with radial magnetization permanent magnet was to meet the demand. This article optimized the structural design, tudied the magnetic circuit and the output characteristics.The finite element software results show that the it has the advantages of high output value and good stabliility and high linearity, can meet the pilot driving requirement of fast response large flow rate servo proportional valve.Key words: moving coil structure；electro mechanical transformer； linearity； radial magnetization permanent magnet0引言基金项目：山西省自然科学基金(2013011023-2)电机械转换器做为电液开关阀、比例阀、伺服阀的驱动部件，其性能优劣对液压阀甚至液压控制系统有很大影响1。目前基于新材料的阀用电机械转换器在国内外取得了一定的进展2-3，但是由于输出位移小，造价高，适用面较窄，还没有广泛应用于工程技术领域中。基于电磁原理的动圈式电机械转换器一般采用永磁体轴向充磁的并联式结构，磁极不直接面对气隙，漏磁较大，且永磁体磁极并联安装困难，需要专用工具，增加了装配难度。电机械转换器采用永磁体径向充磁的串联式结构，磁极可直接面对气隙，漏磁小，磁极采用聚磁形态，磁通便于集中于气隙，有利于提高电机械转换器的输出值特性，且安装简单4，因此具有一定的应用优势和发展前景。本文提出永磁体径向充磁的动圈式电机械转换器作为大流量伺服比例阀的先导级电机械转换器进行研究和分析，并对其输出特性进行初步分析。1结构与工作原理 图1电机械转换器二维结构示意图 Fig.1 structure of Moving Coilt Electro-mechanical Transformer电机械转换器的二维结构如图1所示。导磁心、外壳均采用导磁材料如电工纯铁；支架、限位块可采用非磁性材料；工作线圈可采用铜漆包线；永磁体可采用具有高磁能积的钕铁硼作为永磁材料，径向充磁，四块永磁体轴向尺寸t相等。电机械转换器线圈通电时，线圈在工作气隙磁场中受到轴向洛伦兹力，其输出值与工作电流和气隙磁密相关。该电机械转换器有如下特点：1）在运动过程中，工作气隙形状和磁密大小不变，因此输出力波动性小；2）线圈浸泡在低压油中，增强了散热性能，可提高力的输出值；3）可以将线圈设计在永久磁铁内圈，使运动部分质量下降；4）根据实际需求，可增加或减少磁极与线圈组数。2磁路分析如图2为具有四块永磁体的电机械转换器的等效磁路图。其磁路部分包括永磁体、导磁心、气隙、线圈、外壳。其中Rk为壳体等效磁阻，Rg为工作气隙等效磁阻，Rt为导磁心等效磁阻，M为永磁体磁势。图2 动磁式直线电机等效磁路Fig.2 Equivalent magnetic circuit 进行磁路分析时，可认为：1）当气隙厚度不变时，工作气隙中的磁场为均匀磁场。2）壳体等效磁阻Rk、导磁心等效磁阻Rt相对于工作气隙等效Rg非常小，分析过程中忽略不计。当气隙圆柱面半径R在R0和R3之间变化时，其导磁面积为 (1)式中t为工作线圈宽度。磁阻微元 (2) 式中为真空磁导率。工作气隙的磁阻为5 (3) 磁路磁通为 (4) 则任意工作柱面磁密为 (5)在实际工作中，R0和R3固定不变，工作气隙内的磁场可以近似为匀强磁场，输出力为 (6) 式中N为线圈匝数，L为单匝线圈长度，i为电流强度。由式(6)可知，电机械转换器具有双向驱动能力，可通过调节电流方向和强度，对其输出进行控制。3设计原则分析式(3)(6)可知，提高电机械转换器输出特性可采用以下几种方法：1）增大工作电流。由于导线绝缘层和永磁体工作温度不宜过高，工作电流大小受到了一定的限制。图1所示结构的电机械转换器为湿式电机，低压油可带走工作时产生的热量，增强导线通电能力，从而提高其输出力值。2）增大永磁体磁势M。永磁体充磁强度主要由永磁材料决定，当采用高磁能积磁性材料钕铁硼时，其饱和磁密B为1.051.3T6。此外，与永磁体的形状、体积也有一定关系。3）优化永磁体与线圈所占空间比例参照图1所示结构的永磁体外置式电机械转换器，当永磁体外径确定时，输出力值会随着永磁体内径R3变化而上下波动，即当永磁体内径R3变小时，虽然可以增大磁势M，增大工作气隙磁密B，但是会减小线圈厚度d，影响电机械转换器的输出力值。因此，当永磁体径向尺寸达到某一确定值时，电机械转换器静态输出值可以达到最大。根据以上几种提高电机械转换器输出值的方法，对电机械转换器进行设计。3.1 永磁体磁感应强度分析根据文献4介绍，永磁体磁极表面的磁感应强度除与构成永磁体的材料、成型工艺、充磁电流有关外，还与永磁体的几何形状、磁极面积、两极面积之间的距离、磁路设计有关。面极式的永磁体磁极串联磁路，即径向布置，使永磁体磁极直接面对气隙，漏磁小，磁通集中于气隙，磁极采取聚磁形状，磁感应强度比单个永磁体高5%10%；安装简单，不需专用辅助工具，降低了安装难度。由FEM软件分析径向尺寸相同、轴向长度不同的径向充磁式永磁体横截面磁感应强度，如图3所示。（a） L=15mm（b）L=25mm图3 磁密分布图Fig.3 Equivalent magnetic circuit 由图3可知，当永磁体轴向长度增加时，其中间区域磁感应强度会明显变弱，因此适当减小轴向尺寸，将一块较长的永磁体分成若干块较短的永磁体，可以增加永磁体表面磁感应强度，提高其磁能有效利用率。因此，在图1所示结构磁路中，采用了多块径向充磁式永磁体串联布置。 3.2永磁体外置式设计在液压系统实际工作中，阀用电机械转换器受到其工作空间限制，因此体积不宜过大。电机械转换器可分为永磁体外置式和内置式。外置式可增大永磁体工作面磁通量，内置式可增大通电线圈的体积。如图4为永磁体不同布置方式的电机械转换器内部磁密分布图。（a）永磁体内置式（b）永磁体外置式图4 内部磁密分布图Fig.3 Equivalent magnetic circuit of MCET分析图4可知，永磁体内置式电机械转换器工作气隙磁密较低，大部分磁密集中在导磁心，磁能利用率较低，导磁心区域磁密过高，需要进一步增大导磁心直径以增强其导磁能力，导致电机械转换器输出力值减小。永磁体外置式电机械转换器工作气隙磁密较高，分布均匀，无明显磁密过高区域。3.3确定永磁体径向尺寸 图4是利用FEM计算永磁体内置式和外置式电机械转换器的输出力F与永磁体径向尺寸的关系。作者简介：宋宗南：硕士在读，研究方向为阀用电-机械转换器。通讯地址：太原理工大学北区，太原理工大学机械工程学院，邮编030024。电话Email：许小庆：副教授，通讯作者，研究方向为阀用电-机械转换器。通讯地址：太原理工大学北区，太原理工大学机械工程学院，邮编030024。电话Email： （a）永磁体内置式（b）永磁体内置式图4 F-RFig.4 F-R由图4可知，永磁体外置式电机械转换器可以增大力的输出值。当采用永磁体外置式设计，其内径为13.3mm时，输出值F最大可达到43.4N。此外，由于线圈内置，减小了工作线圈的体积，即减小了动子质量，可以提高动子的响应速度。因此，电机械转换器采用永磁体外置式设计。3.3液阻分析如图5为电机械转换器径向示意图。图5 径向示意图Fig.5 structure of radial 如图1所示的电机械转换器为湿式电机，内部有低压油浸泡，因此动子在运动过程中，会受到一定的液阻作用。动子在运动过程中，与导磁心、永磁体之间有一定的运动间隙，供油液流动。此外，在不影响导磁心磁路的情况下，其表面开有卸压槽，进一步减小液阻作用力，提高了电机械转换器的响应速度。4特性分析4.1静态特性F-I如图7为FEM分析图1结构电机械转换器在不同电流密度时F-I特性曲线。图6 F-IFig.6 F-I由图6可知，电机械转换器在不同电流密度下的输出力值点基本排列在一条直线上，具有很高的线性度。实际工作中可通过调节工作电流大小和方向，达到控制电机械转换器输出的目的。4.2静态特性F-X当电流一定时，在工作行程内，输出力的波动性是衡量电机械转换器性能的重要指标。图6为FEM软件设置不同电流密度时，图1结构电机械转换器的F-X特性曲线如图7所示。图7 F-XFig.7F-X分析图7，当电流密度为6 A/mm2时，在工作行程内，输出力最大值与最小值之差为2.1N，说明电机械转换器输出力平稳，无明显波动，可以满足实际工作中大流量伺服比例阀的先导级驱动需要；当电流达到8A/mm2时，输出力F50N，可直接驱动小流量伺服比例阀阀芯进行工作。5结论1)通过采用径向充磁永磁体串联式结构设计，可增大工作气隙磁密，降低安装难度；2)通过将单个大块永磁体多块化设计，可增大永磁体表面磁感应强度，提高永磁体磁能利用率。3)通过永磁体外置式设计，可提高了力的输出值，减小动子质量，提高响应速度；4)通过优化永磁体和导线圈所占空间比例，可提高通电线圈对永磁体的磁能利用率和力的输出值。参考文献：1 王淑红，肖旭亮，熊光熠直流恒力电磁铁特性J机械工程学报，2008，44(2)：244-2472 夏春林，丁凡，路甬祥超磁致伸缩材料驱动器实验研究J电工技术学报，1999，14(4)：14-163 Reichert MPiezoaktoren i