動鐵式電—機械轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)與功耗分析

常浩遠等

摘要：電-機械轉(zhuǎn)換器的分類很多，按其運動形式可分為直線式和轉(zhuǎn)動式電-機械轉(zhuǎn)換器；按其輸出特性可分為開關(guān)型和比例型電-機械轉(zhuǎn)換器；按其線圈供電種類可分為直流和交流電-機械轉(zhuǎn)換器；按其運動部件可分為動鐵式和動圈式電-機械轉(zhuǎn)換器。動鐵式電-機械轉(zhuǎn)器與動圈式電-機械轉(zhuǎn)換器相比，具有輸出力（力矩）/體積比大、靈敏度高和體積小等優(yōu)點，在輸出相等負載的情況下功耗相對較小，因此基于動鐵式電-機械轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新成為低功耗電-機械轉(zhuǎn)換器研究的重要方向之一。本文對動鐵式電-機械轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)與功耗進行了簡單的分析。

關(guān)鍵詞：動鐵式電-機械轉(zhuǎn)換器；結(jié)構(gòu)；功耗

按照是否具有永磁機構(gòu)，動鐵式電-機械轉(zhuǎn)換器通常可分為電磁鐵和力/力矩馬達。首先，電磁鐵是一種通過控制線圈在導體中產(chǎn)生的輸出力/轉(zhuǎn)矩，使銜鐵作機械運動，從而對外作功的電-機械轉(zhuǎn)換器。以典型比例電磁鐵結(jié)構(gòu)為例，

其工作原理為：當給定比例電磁鐵控制線圈一定電流時，在線圈電流控制磁勢作用下，形成兩條磁路，一條磁路Φ1由端蓋經(jīng)盆形極靴底部沿軸向工作氣隙進入銜鐵，穿過導套后段、殼體回到端蓋極靴，產(chǎn)生軸向力Fml。另一條磁路晚經(jīng)盆形極靴錐形周邊（導套前段）徑向穿過工作氣隙，再進入銜鐵，而后與Φ1匯合，形成附加軸向力Fm2。二者綜合得到比例電磁鐵輸出力Fm相對于銜鐵位移的水平力特性。

其次，力/力矩馬達是一種通過控制線圈和永磁體的共同作用在導磁中產(chǎn)生的輸出力/轉(zhuǎn)矩，使銜鐵作機械運動，從而對外做功的電-機械轉(zhuǎn)換器。以典型雙向線性力馬達結(jié)構(gòu)為例，其工作原理為：當線圈不通電時，輸出力和彈簧力將使銜鐵處于中位；當線圈通入一種極性的電流后，內(nèi)部磁場一部分通過磁場疊加得到增強、另一部分則因為磁場相抵而減弱，于是內(nèi)部磁場將不再平衡，這種不平衡將驅(qū)動銜鐵向磁場增強的部分移動；反之當通入電流的極性發(fā)生變化時，銜鐵又會向另一個方向移動。這樣，線性力馬達可以產(chǎn)生左右兩個方向的驅(qū)動力，相應(yīng)的推動銜鐵產(chǎn)生兩個方向的位移。

由功能轉(zhuǎn)換關(guān)系可知，動鐵式電-機械轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)通常包括動作過程和穩(wěn)態(tài)，當動鐵式電-機械轉(zhuǎn)換器的線圈輸入階躍電壓信號并使銜鐵產(chǎn)生動作時，從電能輸入到負載機械功輸出的轉(zhuǎn)換過程中存在功能轉(zhuǎn)換效率；而達到穩(wěn)態(tài)時銜鐵不動作，電能輸入全部轉(zhuǎn)變?yōu)殂~損。因此在一定的結(jié)構(gòu)尺寸及同等輸出能力下，針對降低動鐵式電-機械轉(zhuǎn)換器功耗（即電能輸入）的方法有：一是減小穩(wěn)態(tài)時所消耗地銅損；二是提高功能轉(zhuǎn)換效率。

第一，減小穩(wěn)態(tài)時所消耗地銅損傳統(tǒng)動鐵式電-機械轉(zhuǎn)換器在穩(wěn)態(tài)時電-機械轉(zhuǎn)換器對外不輸出機械功，卻仍然消耗與動作過程中同樣的銅損，因此希望通過電-機械轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和工作方式的改進來減小穩(wěn)態(tài)時所消耗地銅耗。根據(jù)動作過程和穩(wěn)態(tài)采用不同通電方式的策略，減小穩(wěn)態(tài)時所消耗地銅耗的途徑有：低電流保持方式，永磁雙穩(wěn)態(tài)保持方式，剩磁力保持方式以及功能材料保持方式等。采用上述方式實現(xiàn)低功耗目的的電-機械轉(zhuǎn)換器典型應(yīng)用比較普遍，例如開關(guān)式電-機械轉(zhuǎn)換器采用瞬態(tài)大電流使銜鐵運動而穩(wěn)態(tài)低電流或無源保持的方法有效地降低了元件功耗，但是該方法目前僅適用于非連續(xù)控制的開關(guān)型電-機械轉(zhuǎn)換器，因此其適用范圍受到限制。

第二，提高功能轉(zhuǎn)換效率動鐵式電-機械轉(zhuǎn)換器在動作過程中存在功能轉(zhuǎn)換效率。由功能轉(zhuǎn)換關(guān)系知，為了提高電-機械轉(zhuǎn)換器的功能轉(zhuǎn)換效率，必須從提高電磁轉(zhuǎn)換率、磁能利用率和機械功利用率著手。提高電磁轉(zhuǎn)換率的途徑，是要設(shè)法降低鐵損和銅損，如應(yīng)用高電阻率和低磁滯效應(yīng)的優(yōu)質(zhì)導磁性材料降低鐵損，增大鐵和銅的用量雖然可以提高輸出力/電流比，從而降低銅損，但是體積和重量也相應(yīng)地提高了。因此其效率與成本、體積之間存在矛盾。提高磁能利用率的途徑，是要設(shè)法提高機械功與極限磁場能量的比值，具體可采用的方法有：應(yīng)用優(yōu)質(zhì)導磁材料和減小去磁氣隙。但是過分地減小去磁氣隙，將會使得電-機械轉(zhuǎn)換器的剩磁增大，從而發(fā)生不能夠可靠釋放的不良后果。因此其效率與成本、工作可靠性存在矛盾。提高機械功利用率的途徑，是要設(shè)法減小運動動能，由于運動動能與負載反力特性相關(guān)，因此其效率因負載反力特性而異。