新型閥用動(dòng)圈式電機(jī)械轉(zhuǎn)換器

宋宗南，許小慶，高 宇

(太原理工大學(xué)，太原030024)

0 引 言

電機(jī)械轉(zhuǎn)換器作為電液開關(guān)閥、比例閥、伺服閥的驅(qū)動(dòng)部件，其性能優(yōu)劣對(duì)液壓閥甚至液壓控制系統(tǒng)有很大影響［1］。

目前，基于新材料的閥用電機(jī)械轉(zhuǎn)換器在國(guó)內(nèi)外取得了一定的進(jìn)展［2－3］，但是由于輸出位移小，造價(jià)高，適用面較窄，還沒有廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域中?；陔姶旁淼膭?dòng)圈式電機(jī)械轉(zhuǎn)換器一般采用永磁體軸向充磁的并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，磁極不直接面對(duì)氣隙，漏磁較大，且永磁體磁極并聯(lián)安裝困難，需要專用工具，增加了裝配難度。電機(jī)械轉(zhuǎn)換器采用永磁體徑向充磁的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，磁極可直接面對(duì)氣隙，漏磁小，磁極采用聚磁形態(tài)，磁通便于集中于氣隙，有利于提高電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出值特性，且安裝簡(jiǎn)單［4］，因此具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。

本文提出永磁體徑向充磁的動(dòng)圈式電機(jī)械轉(zhuǎn)換器作為大流量伺服比例閥的先導(dǎo)級(jí)電機(jī)械轉(zhuǎn)換器進(jìn)行研究和分析，并對(duì)其輸出特性進(jìn)行初步分析。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。導(dǎo)磁心、外殼均采用導(dǎo)磁材料如電工純鐵;支架、限位塊可采用非磁性材料;工作線圈可采用銅漆包線;圓環(huán)形永磁體可采用具有高磁能積的釹鐵硼作為永磁材料，徑向充磁，四塊圓環(huán)形永磁體軸向長(zhǎng)度t相等。

圖1 電機(jī)械轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

電機(jī)械轉(zhuǎn)換器線圈通電時(shí)，線圈在工作氣隙磁場(chǎng)中受到軸向洛倫茲力，線圈與支架組成的動(dòng)子作為運(yùn)動(dòng)單元，其輸出值與工作電流和氣隙磁密相關(guān)。該電機(jī)械轉(zhuǎn)換器有如下特點(diǎn):(1)在運(yùn)動(dòng)過程中，工作氣隙形狀和磁密大小不變，因此輸出力波動(dòng)性小;

(2)線圈浸泡在低壓油中，增強(qiáng)了散熱性能，可提高力的輸出值;(3)可以將線圈設(shè)計(jì)在永久磁鐵內(nèi)圈，使運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量下降;(4)根據(jù)實(shí)際需求，可增加或減少磁極與線圈組數(shù)。

2 磁路分析

圖2為具有四塊永磁體的電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的等效磁路圖。其磁路部分包括永磁體、導(dǎo)磁心、氣隙、線圈、外殼。其中Rk為殼體等效磁阻，Rg為工作氣隙等效磁阻，Rt為導(dǎo)磁心等效磁阻，M為永磁體磁勢(shì)。

圖2 電機(jī)械轉(zhuǎn)換器等效磁路圖

進(jìn)行磁路分析時(shí)，可認(rèn)為:

(1)當(dāng)氣隙厚度不變時(shí)，工作氣隙中的磁場(chǎng)為均勻磁場(chǎng)。

(2)殼體等效磁阻Rk、導(dǎo)磁心等效磁阻Rt相對(duì)于工作氣隙等效Rg非常小，分析過程中忽略不計(jì)。

當(dāng)氣隙圓柱面半徑R在R0和R3之間變化時(shí)，其導(dǎo)磁面積:

式中:t為工作線圈寬度。

磁阻微元:

式中:μ0為真空磁導(dǎo)率。

工作氣隙的磁阻［5］:

磁路磁通:

則任意工作柱面磁密:

在實(shí)際工作中，R0和R3固定不變，工作氣隙內(nèi)的磁場(chǎng)可以近似為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，輸出力:

式中:N為線圈匝數(shù);L為單匝線圈長(zhǎng)度;i為電流強(qiáng)度。由式(6)可知，電機(jī)械轉(zhuǎn)換器具有雙向驅(qū)動(dòng)能力，可通過調(diào)節(jié)電流方向和強(qiáng)度，對(duì)其輸出進(jìn)行控制。

3 設(shè)計(jì)原則

分析式(3)～式(6)可知，提高電機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出特性可采用以下幾種方法:

(1)增大工作電流

由于導(dǎo)線絕緣層和永磁體工作溫度不宜過高，工作電流大小受到了一定的限制。圖1結(jié)構(gòu)的電機(jī)械轉(zhuǎn)換器為濕式電機(jī)，低壓油可帶走工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，增強(qiáng)導(dǎo)線通電能力，從而提高其輸出力值。

(2)增大永磁體磁勢(shì)M

永磁體充磁強(qiáng)度主要由永磁材料決定，當(dāng)采用高磁能積磁性材料釹鐵硼時(shí)，其飽和磁密B為1.05～1.3 T［6］。此外，與永磁體的形狀、體積也有一定關(guān)系。

(3)優(yōu)化永磁體與線圈所占空間比例

參照?qǐng)D1結(jié)構(gòu)的永磁體外置式電機(jī)械轉(zhuǎn)換器，當(dāng)永磁體外徑確定時(shí)，輸出力值會(huì)隨著永磁體內(nèi)徑R3變化而上下波動(dòng)，即當(dāng)永磁體內(nèi)徑R3變小時(shí)，雖然可以增大磁勢(shì)M，增大工作氣隙磁密B，但是會(huì)減小線圈厚度d，影響電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力值。因此，當(dāng)永磁體徑向尺寸達(dá)到某一確定值時(shí)，電機(jī)械轉(zhuǎn)換器靜態(tài)輸出值可以達(dá)到最大。

根據(jù)以上幾種提高電機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出值的方法，對(duì)電機(jī)械轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 永磁體軸向長(zhǎng)度分析

如圖3所示，永磁體沿半徑方向充磁，在不考慮漏磁的情況下，通過永磁體極面的磁通量等于通過導(dǎo)磁心柱面的磁通量。則有:

圖3 磁密分布圖

通過導(dǎo)磁心的磁密:

式中:Bt為永磁體磁密;Br為導(dǎo)磁心的磁密;St為導(dǎo)磁心橫截面積。

分析式(8)，當(dāng)t值過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)磁心磁密Br過飽和，如圖4(a)深色區(qū)域所示。

圖4 導(dǎo)磁心磁密分布圖

如圖4(b)所示，適當(dāng)減小永磁體軸向長(zhǎng)度t，將一塊較長(zhǎng)的永磁體分成若干塊較短的永磁體，可避免導(dǎo)磁心磁密過飽和，有利于磁路優(yōu)化。因此，在圖1的結(jié)構(gòu)磁路中，采用了多塊徑向充磁式永磁體串聯(lián)布置。

3.2 永磁體外置式設(shè)計(jì)

在液壓系統(tǒng)實(shí)際工作中，閥用電機(jī)械轉(zhuǎn)換器受到其工作空間限制，因此體積不宜過大。

電機(jī)械轉(zhuǎn)換器可分為永磁體外置式和內(nèi)置式。外置式可增大永磁體工作面磁通量，內(nèi)置式可增大通電線圈的體積。圖5為永磁體不同布置方式的電機(jī)械轉(zhuǎn)換器內(nèi)部磁密分布圖。

圖5 內(nèi)部磁密分布圖

分析圖5(a)所示，永磁體內(nèi)置式電機(jī)械轉(zhuǎn)換器工作氣隙磁密較低，大部分磁密集中在導(dǎo)磁心，磁能利用率較低，導(dǎo)磁心區(qū)域磁密過高，需要進(jìn)一步增大導(dǎo)磁心直徑以增強(qiáng)其導(dǎo)磁能力，導(dǎo)致電機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出力值減小。

如圖5(b)所示，永磁體外置式電機(jī)械轉(zhuǎn)換器工作氣隙磁密較高，導(dǎo)磁心無(wú)明顯磁密過飽和區(qū)域。

3.3 確定永磁體徑向尺寸

圖6是利用FEM計(jì)算永磁體內(nèi)置式和外置式電機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出力F與環(huán)形永磁體內(nèi)徑R3的關(guān)系。

圖6 F－R曲線

分析圖6，永磁體外置式電機(jī)械轉(zhuǎn)換器可以增大力的輸出值。當(dāng)采用永磁體外置式設(shè)計(jì)，環(huán)形永磁體內(nèi)徑為13.3 mm時(shí)，輸出值F最大可達(dá)到43.4 N。

此外，由于線圈內(nèi)置，減小了工作線圈的體積，即減小了動(dòng)子質(zhì)量，可以提高動(dòng)子的響應(yīng)速度。因此，電機(jī)械轉(zhuǎn)換器采用永磁體外置式設(shè)計(jì)。

3.4 液阻分析

圖1的電機(jī)械轉(zhuǎn)換器為濕式電機(jī)，內(nèi)部有低壓油浸泡，因此動(dòng)子在運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)受到一定的液阻作用。

動(dòng)子在運(yùn)動(dòng)過程中，與導(dǎo)磁心、永磁體之間有一定的運(yùn)動(dòng)間隙，供油液流動(dòng)。此外，在不影響導(dǎo)磁心磁路的情況下，其表面開有卸壓槽，進(jìn)一步減小液阻作用力，提高了電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度。

4 特性分析

4.1 靜態(tài)特性F－I

圖7為FEM分析圖1結(jié)構(gòu)電機(jī)械轉(zhuǎn)換器在不同電流密度時(shí)F－I特性曲線。

圖7 F－I特性曲線

分析圖7，電機(jī)械轉(zhuǎn)換器在不同電流密度下的輸出力值點(diǎn)基本排列在一條直線上，具有很高的線性度。實(shí)際工作中可通過調(diào)節(jié)工作電流大小和方向，達(dá)到控制電機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出的目的。

4.2 靜態(tài)特性F－X

當(dāng)電流一定時(shí)，在工作行程內(nèi)，輸出力的波動(dòng)性是衡量電機(jī)械轉(zhuǎn)換器性能的重要指標(biāo)。圖8為FEM軟件設(shè)置不同電流密度時(shí)電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的FX特性曲線。

圖8 F－X特性曲線

分析圖8，當(dāng)電流密度為6 A/mm2時(shí)，在工作行程內(nèi)，輸出力最大值與最小值之差為2.1 N，說明電機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出力平穩(wěn)，無(wú)明顯波動(dòng)，可以滿足實(shí)際工作中大流量伺服比例閥的先導(dǎo)級(jí)驅(qū)動(dòng)需要;當(dāng)電流達(dá)到8 A/mm2時(shí)，輸出力F≥50 N，可直接驅(qū)動(dòng)小流量伺服比例閥閥芯進(jìn)行工作。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過采用徑向充磁永磁體串聯(lián)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可增大工作氣隙磁密，降低安裝難度;

(2)通過將單個(gè)大塊永磁體多塊化設(shè)計(jì)，可避免導(dǎo)磁心磁密過飽和，提高永磁體磁能利用率。

(3)通過永磁體外置式設(shè)計(jì)，可提高了力的輸出值，減小動(dòng)子質(zhì)量，提高響應(yīng)速度;

(4)通過優(yōu)化永磁體和導(dǎo)線圈所占空間比例，可提高通電線圈對(duì)永磁體的磁能利用率和力的輸出值。

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