宋宗南，許小慶，高 宇

(太原理工大學(xué)，山西太原030024)

0 引 言

比例閥廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域，具有高頻響、高精度的特點。電機械轉(zhuǎn)換器作為其重要元件，性能優(yōu)劣對比例閥甚至液壓控制系統(tǒng)有很大影響［1］。當系統(tǒng)流量要求不大時，可采用電機械轉(zhuǎn)換器直接驅(qū)動閥芯;當系統(tǒng)要求大流量時，則需采用兩級以上驅(qū)動方案。目前電機械轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)主要基于電磁原理，雖然基于新材料的伺服比例閥用電機械轉(zhuǎn)換器在國內(nèi)外取得了一定的發(fā)展［2－3］，但是由于輸出位移小、造價高，目前處于研究之中，還沒有在工程技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

因此研究大流量伺服比例閥先導(dǎo)級用的低成本、高響應(yīng)電機械轉(zhuǎn)換器，具有一定實用價值。本文提出采用動磁式電機械轉(zhuǎn)換器(以下簡稱MMEM)作為大流量伺服比例閥的先導(dǎo)級的驅(qū)動部分進行研究和分析，并對其特性進行初步分析。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

MMEM 的二維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 MMEM 二維結(jié)構(gòu)示意圖

MMEM 主要包括動子和定子兩大部分。動子主要包括輸出軸、永磁體、導(dǎo)磁心，定子主要包括線圈、線圈支架、殼體。為防止漏磁，前后端蓋、輸出桿均采用非導(dǎo)磁材料如不銹鋼，支架采用非導(dǎo)磁性材料;導(dǎo)磁心與外殼采用電工純鐵;永磁體一般采用釹鐵硼作為充磁材料，軸向充磁。

2 磁路分析

MMEM 的磁路部分包括永磁體、導(dǎo)磁心、氣隙、線圈、外殼。圖2 為MMEM 的等效磁路圖。其中Rg為工作氣隙磁阻，Rk為殼體等效磁阻，Rt為導(dǎo)磁心等效磁阻，M 為永磁體磁勢。

圖2 動磁式直線電機等效磁路

進行磁路分析時，做以下假設(shè):

1)工作氣隙環(huán)形空間高度不變，導(dǎo)磁率為真空導(dǎo)磁率μ0，當氣隙厚度不變時，工作氣隙中的磁場可以認為均勻磁場。

2)相對于工作氣隙Rg，殼體等效磁阻Rk和導(dǎo)磁心等效磁阻Rt都很小，因此在簡化分析過程中可忽略不計。

當氣隙圓柱面半徑R 在R1和R2之間變化時，其柱面導(dǎo)磁面積:

磁阻微元:

工作氣隙的磁阻［4］:

磁路磁通:

則任意工作柱面磁密:

在實際工作中，R1和R2相差不大，工作氣隙內(nèi)的磁場可以近似為勻強磁場，輸出力［5］:

3 MMEM 設(shè)計原則

分析式(3)～式(6)可以得出，提高電機械轉(zhuǎn)換器輸出力一般可采用以下幾種方法:

1)增大工作電流

因?qū)Ь€絕緣層工作環(huán)境溫度不能過高，電機械轉(zhuǎn)換器的工作電流大小受到了限制;此外永磁體在高溫情況下容易發(fā)生退磁現(xiàn)象，因此線圈內(nèi)工作溫度不能過高。在圖1 結(jié)構(gòu)的電機械轉(zhuǎn)換器工作過程中低壓油可帶走線圈通電時產(chǎn)生的部分熱量，增強導(dǎo)線通電能力，從而提高其輸出力值。

2)增大永磁體磁勢M

永磁材料是決定永磁體充磁強度的主要因素，當采用高磁能積磁性材料釹鐵硼時，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)增大氣隙磁場中工作線圈體積

提高氣隙磁場中通電導(dǎo)線的總體長度，即提高工作線圈的體積，提高通電線圈對磁能的利用率，從而可以提高力的輸出值。

對MMEM 進行設(shè)計時，應(yīng)遵守以上原則。

3.1 動磁式結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 為電機械轉(zhuǎn)換器運動過程中運動間隙示意圖，其中d1為外殼與支架間間隙;d2為導(dǎo)磁心與支架間間隙。

圖3 運動間隙分析

如果將電機械轉(zhuǎn)換器設(shè)計為動圈式，則d1和d2均為運動間隙，需要一定的值來保證其正常相對運動。圖1 結(jié)構(gòu)所設(shè)計的電機械轉(zhuǎn)換器為動磁式，外殼與支架間無相對運動，因此可以減小d1值，使其只需滿足裝配要求即可。為了保證電機械轉(zhuǎn)換器動子自由運動，d2值不宜過小。

d1值減小，R2值也隨之減小。由式(5)可知，減小R2，可以增大工作柱面磁密B，從而提高力的輸出值。

此外，由于動磁式設(shè)計中通電線圈無低壓油浸泡，因此解決了導(dǎo)線引出口處的密封問題，提高了工藝性，便于安裝拆卸。

3.2 異形導(dǎo)磁心結(jié)構(gòu)設(shè)計

永磁體磁極表面的磁感應(yīng)強度除與構(gòu)成永磁體的材料、成型工藝，充磁電流有關(guān)外，還與永磁體的幾何形狀、磁極面積、兩極面積之間的距離有關(guān)。永磁體在極面面積不變的情況下隨永磁體長度與磁極表面磁感應(yīng)強度的變化曲線［7］，如圖4 所示。

圖4 B－b 曲線

根據(jù)文獻［7］介紹，當圓柱永磁體兩極面距離b與其直徑2R1相等時，是永磁體比較科學(xué)合理的幾何形狀。

圖1 的結(jié)構(gòu)磁路中，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。即:

式中:B1為永磁體極面磁感應(yīng)強度;B2為導(dǎo)磁心柱面磁感應(yīng)強度。因此導(dǎo)磁心柱面寬度:

MMEM 的響應(yīng)速度與其動子質(zhì)量大小有密切關(guān)系。圖5 為FEM 分析MMEM 的磁密分布圖。

圖5 MMEM 磁密分布

從圖5(a)部分可以看出，導(dǎo)磁心三角形區(qū)域顯深色，磁密很小，未達到飽和狀態(tài)，因此可以將此區(qū)域?qū)Т判娜コ?，以減輕運動部件的質(zhì)量，提高動子響應(yīng)速度。優(yōu)化后，如圖5(b)部分，導(dǎo)磁心只有很小部分區(qū)域磁密接近飽和狀態(tài)，不影響電機械轉(zhuǎn)換器磁路。

3.3 增大磁場中通電線圈體積

當MMEM 的工作行程為L 時，為了保證MMEM的F－x 曲線特性平穩(wěn)無波動并提高輸出力值，因此應(yīng)該設(shè)計線圈槽寬度C≥t + 2L，使動子在運動過程中，工作氣隙盡可能多的充滿通電線圈。分析圖5 可知，這一設(shè)計結(jié)果能夠提高工作線圈對磁能的利用率，達到提高MMEM 的輸出力值和減小輸出力波動性的目的。

3.4 確定永磁體半徑

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

參照圖1 結(jié)構(gòu)的電機械轉(zhuǎn)換器，當其半徑R3確定時，輸出力值會隨著永磁體半徑變化而上下波動，即當永磁體半徑R1變大時，雖然可以增大磁勢M，增大工作氣隙磁密B，但是線圈厚度d 就會減小，影響電機械轉(zhuǎn)換器的輸出力值。因此，當永磁體半徑尺寸達到某一確定值時，電機械轉(zhuǎn)換器靜態(tài)輸出值可以達到最大。

圖6 是利用FEM 計算電機械轉(zhuǎn)換器的輸出力與永磁體半徑的關(guān)系，當永磁體半徑為11．3 mm時，電機械轉(zhuǎn)換器的輸出值F 可以達到最大。

圖6 F－R 曲線

4 特性分析

4.1 靜態(tài)特性F－I

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

圖7 F－I 曲線

從圖7 可知，MMEM 在不同電流密度下的輸出力值點基本排列在一條直線上，具有很高的線性度。實際工作需求時，可通過調(diào)節(jié)工作電流大小和方向，達到控制電機械轉(zhuǎn)換器輸出的目的。

4.2 靜態(tài)特性F－X

在工作行程內(nèi)，電流一定時，輸出力的波動性是衡量其性能的重要指標。圖8 為利用FEM 分析圖1結(jié)構(gòu)電機械轉(zhuǎn)換器在不同電流下的F－X 特性曲線。

圖8 F－X 曲線

分析圖8，當電流密度為6 A/mm2時，在工作行程內(nèi)，輸出力最大值與最小值之差為1．6 N，波動范圍不大于輸出力值的5%，說明電機械轉(zhuǎn)換器輸出力平穩(wěn)，無明顯波動，可以滿足實際工作中大流量伺服比例閥的先導(dǎo)級驅(qū)動需要。

5 結(jié) 語

(1)通過采用動磁式結(jié)構(gòu)，減小外殼和線圈支架間隙，可提高工作氣隙磁密，還可提高制造工藝性，便于安裝拆卸;

(2)通過采用異形導(dǎo)磁心結(jié)構(gòu)，在不影響磁路的情況下，減小了動子質(zhì)量，可提高反應(yīng)速度;

(3)通過增大工作氣隙內(nèi)通電導(dǎo)線圈體積，可提高力的輸出值，減小力的波動性;

(4)通過合理分配永磁體直徑和導(dǎo)線圈厚度比例，可提高通電線圈對永磁體的磁能利用率和力的輸出值。

［1］ 王淑紅，肖旭亮，熊光熠．直流恒力電磁鐵特性［J］．機械工程學(xué)報，2008，44(2):244－247．

［2］ 夏春林，丁凡，路甬祥．超磁致伸縮材料驅(qū)動器實驗研究［J］．電工技術(shù)學(xué)報，1999，14(4):14－16．

［3］ Reichert M．Piezoaktoren in der Ventilvorsteuerung hochdynamisches hydraulisches servoventil［J］．Oelhydraulik und Pneumatik，2007，51(1):22－26．

［4］ 許小慶，權(quán)龍，王旭平．伺服比例閥用動圈式直線電機［J］．中國電機工程學(xué)報，2010，30(9):92－96．

［5］ 王淑紅，熊光煜．新型筒型永磁動圈式直線電動機氣隙磁場解析分析［J］．電工技術(shù)學(xué)報，2007，22(5):40－44．

［6］ 焦留成，禹沛，禹涓．稀土永磁材料及其在直線電機中的應(yīng)用展望［J］．微特電機，1997，25(2):32－34．

［7］ 蘇紹禹，高紅霞．永磁發(fā)電機機理設(shè)計及應(yīng)用［J］．北京:機械工業(yè)出版社，2012，4(1):21－23．