新型閥用動圈式電機械轉換器

宋宗南，許小慶，高 宇

(太原理工大學，太原030024)

0 引 言

電機械轉換器作為電液開關閥、比例閥、伺服閥的驅動部件，其性能優劣對液壓閥甚至液壓控制系統有很大影響［1］。

目前，基于新材料的閥用電機械轉換器在國內外取得了一定的進展［2－3］，但是由于輸出位移小，造價高，適用面較窄，還沒有廣泛應用于工程技術領域中?；陔姶旁淼膭尤κ诫姍C械轉換器一般采用永磁體軸向充磁的并聯式結構，磁極不直接面對氣隙，漏磁較大，且永磁體磁極并聯安裝困難，需要專用工具，增加了裝配難度。電機械轉換器采用永磁體徑向充磁的串聯式結構，磁極可直接面對氣隙，漏磁小，磁極采用聚磁形態，磁通便于集中于氣隙，有利于提高電機械轉換器的輸出值特性，且安裝簡單［4］，因此具有一定的應用優勢和發展前景。

本文提出永磁體徑向充磁的動圈式電機械轉換器作為大流量伺服比例閥的先導級電機械轉換器進行研究和分析，并對其輸出特性進行初步分析。

1 結構與工作原理

電機械轉換器的結構如圖1所示。導磁心、外殼均采用導磁材料如電工純鐵;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，四塊圓環形永磁體軸向長度t相等。

圖1 電機械轉換器結構

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

(2)線圈浸泡在低壓油中，增強了散熱性能，可提高力的輸出值;(3)可以將線圈設計在永久磁鐵內圈，使運動部分質量下降;(4)根據實際需求，可增加或減少磁極與線圈組數。

2 磁路分析

圖2為具有四塊永磁體的電機械轉換器的等效磁路圖。其磁路部分包括永磁體、導磁心、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為導磁心等效磁阻，M為永磁體磁勢。

圖2 電機械轉換器等效磁路圖

進行磁路分析時，可認為:

(1)當氣隙厚度不變時，工作氣隙中的磁場為均勻磁場。

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

當氣隙圓柱面半徑R在R0和R3之間變化時，其導磁面積:

式中:t為工作線圈寬度。

磁阻微元:

式中:μ0為真空磁導率。

工作氣隙的磁阻［5］:

磁路磁通:

則任意工作柱面磁密:

在實際工作中，R0和R3固定不變，工作氣隙內的磁場可以近似為勻強磁場，輸出力:

式中:N為線圈匝數;L為單匝線圈長度;i為電流強度。由式(6)可知，電機械轉換器具有雙向驅動能力，可通過調節電流方向和強度，對其輸出進行控制。

3 設計原則

分析式(3)～式(6)可知，提高電機械轉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結構的電機械轉換器為濕式電機，低壓油可帶走工作時產生的熱量，增強導線通電能力，從而提高其輸出力值。

(2)增大永磁體磁勢M

永磁體充磁強度主要由永磁材料決定，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、體積也有一定關系。

(3)優化永磁體與線圈所占空間比例

參照圖1結構的永磁體外置式電機械轉換器，當永磁體外徑確定時，輸出力值會隨著永磁體內徑R3變化而上下波動，即當永磁體內徑R3變小時，雖然可以增大磁勢M，增大工作氣隙磁密B，但是會減小線圈厚度d，影響電機械轉換器的輸出力值。因此，當永磁體徑向尺寸達到某一確定值時，電機械轉換器靜態輸出值可以達到最大。

根據以上幾種提高電機械轉換器輸出值的方法，對電機械轉換器進行設計。

3.1 永磁體軸向長度分析

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磁心柱面的磁通量。則有:

圖3 磁密分布圖

通過導磁心的磁密:

式中:Bt為永磁體磁密;Br為導磁心的磁密;St為導磁心橫截面積。

分析式(8)，當t值過大時，會導致導磁心磁密Br過飽和，如圖4(a)深色區域所示。

圖4 導磁心磁密分布圖

如圖4(b)所示，適當減小永磁體軸向長度t，將一塊較長的永磁體分成若干塊較短的永磁體，可避免導磁心磁密過飽和，有利于磁路優化。因此，在圖1的結構磁路中，采用了多塊徑向充磁式永磁體串聯布置。

3.2 永磁體外置式設計

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

電機械轉換器可分為永磁體外置式和內置式。外置式可增大永磁體工作面磁通量，內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械轉換器內部磁密分布圖。

圖5 內部磁密分布圖

分析圖5(a)所示，永磁體內置式電機械轉換器工作氣隙磁密較低，大部分磁密集中在導磁心，磁能利用率較低，導磁心區域磁密過高，需要進一步增大導磁心直徑以增強其導磁能力，導致電機械轉換器輸出力值減小。

如圖5(b)所示，永磁體外置式電機械轉換器工作氣隙磁密較高，導磁心無明顯磁密過飽和區域。

3.3 確定永磁體徑向尺寸

圖6是利用FEM計算永磁體內置式和外置式電機械轉換器輸出力F與環形永磁體內徑R3的關系。

圖6 F－R曲線

分析圖6，永磁體外置式電機械轉換器可以增大力的輸出值。當采用永磁體外置式設計，環形永磁體內徑為13.3 mm時，輸出值F最大可達到43.4 N。

此外，由于線圈內置，減小了工作線圈的體積，即減小了動子質量，可以提高動子的響應速度。因此，電機械轉換器采用永磁體外置式設計。

3.4 液阻分析

圖1的電機械轉換器為濕式電機，內部有低壓油浸泡，因此動子在運動過程中，會受到一定的液阻作用。

動子在運動過程中，與導磁心、永磁體之間有一定的運動間隙，供油液流動。此外，在不影響導磁心磁路的情況下，其表面開有卸壓槽，進一步減小液阻作用力，提高了電機械轉換器的響應速度。

4 特性分析

4.1 靜態特性F－I

圖7為FEM分析圖1結構電機械轉換器在不同電流密度時F－I特性曲線。

圖7 F－I特性曲線

分析圖7，電機械轉換器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。實際工作中可通過調節工作電流大小和方向，達到控制電機械轉換器輸出的目的。

4.2 靜態特性F－X

當電流一定時，在工作行程內，輸出力的波動性是衡量電機械轉換器性能的重要指標。圖8為FEM軟件設置不同電流密度時電機械轉換器的FX特性曲線。

圖8 F－X特性曲線

分析圖8，當電流密度為6 A/mm2時，在工作行程內，輸出力最大值與最小值之差為2.1 N，說明電機械轉換器輸出力平穩，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級驅動需要;當電流達到8 A/mm2時，輸出力F≥50 N，可直接驅動小流量伺服比例閥閥芯進行工作。

5 結 語

(1)通過采用徑向充磁永磁體串聯式結構設計，可增大工作氣隙磁密，降低安裝難度;

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

(3)通過永磁體外置式設計，可提高了力的輸出值，減小動子質量，提高響應速度;

(4)通過優化永磁體和導線圈所占空間比例，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］.機械工程學報，2008，44(2):244 －247.

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

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