魯立中,孟 彬,阮 健

(浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室,浙江 杭州 310032)

近來,電液伺服技術與信息控制技術的結合越來越緊密,數(shù)字閥通過直接接口計算機,能夠減少外部環(huán)境的干擾,輸出量準確,可靠.通過引入先進的控制算法,全面提升電液伺服閥的動靜態(tài)特性.電-機械轉換器是數(shù)字閥的關鍵元件,其功能是將輸入的控制信號轉換成相應的閥芯轉角或位移,其性能的優(yōu)劣直接影響數(shù)字閥的品質.常規(guī)的電液數(shù)字閥用電-機械轉換器,為按照交流伺服方式控制的混合式步進電機[1],為了實現(xiàn)從步進電機的旋轉運動到數(shù)字閥閥芯直線運動的轉換,必須在電機和液壓閥閥體之間增加絲杠或凸輪等機械轉換環(huán)節(jié)[2],而機械轉換環(huán)節(jié)的存在不僅使得閥的結構復雜,而且?guī)砹艘幌盗械拈g隙、摩擦和磨損問題,導致控制上未知的死區(qū)和零點漂移,會造成液壓系統(tǒng)大的誤差[3];另外,其控制線圈與轉子工作腔之間并無密封耐高壓結構,油液一旦進入工作腔,控制線圈將會浸入油液里而損壞,因此無法在濕式狀態(tài)下工作;再者,常規(guī)的混合式步進電機的轉子為實心硅鋼片疊壓而成,其轉動慣量大,響應速度較慢,從而限制了閥以至整個電液伺服系統(tǒng)的頻寬,因而對于需要快速動態(tài)響應的使用場合并不適用.

針對目前傳統(tǒng)旋轉式商用步進電機在電液控制領域應用的不足,筆者提出了一種耐高壓低慣量直動式電磁鐵新結構,并且基于有限元方法建立了數(shù)學模型,通過理論分析和仿真探討了其靜態(tài)特性.

1 結構及工作原理

低慣量耐高壓直動式電磁鐵,主要由軛鐵部件、銜鐵部件、前后端蓋和激磁線圈組成(圖1),銜鐵部件包括銜鐵和推桿,銜鐵安裝在推桿上,推桿通過直線軸承支撐在前后端蓋中,軛鐵部件由四塊軛鐵組成,通過在隔磁環(huán)上開槽安放密封圈,可以使控制線圈不受高壓油侵蝕,實現(xiàn)在濕式環(huán)境下工作;由于電磁剛度的存在,該直動式電磁鐵無須象傳統(tǒng)的電-機械轉換器那樣外加大剛度的機械彈簧,從而使數(shù)字閥結構得以簡化;為降低運動慣量,提升電-機械轉換器的動靜態(tài)品質,銜鐵采用空心杯形狀;圓筒形結構,磁路對稱性好,容易做到基本消除徑向磁拉力,因此推力對銜鐵重量的比值得以提高;為改善工作穩(wěn)定性,永磁體采用高內稟矯頑力N35稀土永磁材料,軸向磁化成N極和S極;軛鐵部件和銜鐵采用高磁導率較高飽和磁感應強度軟磁合金1J50,推桿和前后端蓋則由非導磁材料制成.

圖1 直動式電磁鐵結構簡圖Fig.1 Structural drawing of direct drive electromagnet

四塊軛鐵的內圓周面均開有軸向均勻分布的多個小齒(圖2),且四個軛鐵的齒數(shù)相同;第一軛鐵和第二軛鐵之間的距離Gt和第三軛鐵和第四軛鐵之間的距離相等,且第一軛鐵和第二軛鐵之間的距離為齒距的整數(shù)倍;永磁體的軸向尺寸St符合以下關系:

式中:bt為齒寬;λt為齒距;K 為任意正整數(shù).

而銜鐵的外圓周面上同樣開有軸向均勻分布的多個小齒,其齒距要求和軛鐵的齒距相等.由此保證第一軛鐵的齒和銜鐵的齒對齊時,第三軛鐵和第四軛鐵的齒中心分別都正好處在銜鐵齒中心和槽中心之間,為電—機械轉換器下一步運動做好位置準備.四塊軛鐵組成4個磁極,與銜鐵的外圓周面共形成4個有效工作氣隙.當控制線圈不通電時,磁場中只有永磁體產生的磁通,在理想的沒有漏磁的情況下,以圖2所示位置為例,當極3下齒對齊時,銜鐵受到極1和極2的磁力相反,由于極2靠近永磁體,因此銜鐵受到向左的力大一些,但是此刻極3下的磁力提供電-機械轉換器一個電磁剛度,起到了彈簧的作用,即銜鐵如果偏離了穩(wěn)定平衡點一個微小距離,極3下工作氣隙內能立即提供一個與偏離方向相反的力使其保持位置不變.因此,在沒有外力的情況下,總是會有一個極上的齒和銜鐵的極對齊,并保持穩(wěn)定.

圖2 直動式電磁鐵工作原理簡圖Fig.2 Working principle of direct drive electromagnet

當控制線圈通電時,電流控制磁場和永磁極化磁場在各級下的工作氣隙中差動疊加,根據(jù)不同的通電方式而增強或者減弱相應極下的磁場力,從而推動銜鐵正反雙向運動[4].倘若兩個控制線圈同時通入相位差為90度的正弦波電流,則可實現(xiàn)銜鐵的平滑均勻的連續(xù)運動[5].

2 理論分析和仿真

在靜態(tài)磁場情況下,麥克斯韋方程組可以簡化[6]為

式中:B為磁感應強度;H為磁場強度;J為電流密度.

磁矢位:B=▽×A在電流勵磁的條件下,滿足泊松方程▽2A=-μ J.

電磁場的分析和計算通?？梢詺w結為求微分方程的解,靜磁學問題需要確定邊界條件以使得解唯一.邊界條件即表達場的邊界所處的物理情況,最常用的是兩種:

(1)Dirichlet邊界條件 :φ|Γ=g(Γ),也稱為約束邊界條件或本質邊界條件,規(guī)定了邊界處勢的分布,其中 Γ為Dirichlet邊界;g(Γ)是位置函數(shù).

圖3 有限元仿真模型Fig.3 Finite element simulation model

通過Ansoft對所建立的模型進行求解計算,可以得到電磁鐵的磁場分布圖,得以進一步分析電磁鐵的靜態(tài)特性.圖4為銜鐵處于一穩(wěn)定平衡點位置時,不同控制電流時的磁場分布圖.仿真參數(shù)設置如下:電磁鐵的控制線圈匝數(shù)為100.由于電磁鐵結構是圓筒形,從圖4中可以看到,磁力線從氣隙中通過,經(jīng)永磁體、軛鐵和銜鐵構成閉合回路,若銜鐵離開平衡位置,氣隙內的磁場變化,磁通作用于銜鐵軸向合力將發(fā)生改變,推動銜鐵向零位移動.當控制線圈通入某一極性的控制電流后,永磁體產生的磁場和控制線圈產生的磁場發(fā)生差動疊加,使得銜鐵朝磁場增強的方向移動.

圖4 不同控制電流時的磁場分布圖Fig.4 Magnetic field distribution generated by different currents

通過改變控制線圈產生的磁動勢,大小為NI,其中:N為線圈匝數(shù),I為控制電流.得到電磁鐵在不同控制條件下的力位移特性,如圖5所示.當電磁鐵處于工作狀態(tài)時,其力位移特性近似為正弦波形.從圖5中可以看到,增大控制電流或增加線圈匝數(shù)都有利于波形的改善和輸出力的增加.因此在設計過程中,控制線圈產生的磁通需要和永磁體的磁通進行匹配,否則不合適的控制電流會對數(shù)字閥的伺服控制帶來困難.圖6是銜鐵在圖4位置時,不同控制條件下銜鐵受到的推力,從圖6中可以看出,當線圈匝數(shù)確定時,一定范圍內,輸出推力與控制電流的大小具有較好的線性度,但是當電流過大或控制電流產生的磁場和永磁體產生的磁場同向的時候,輸出推力將不再線性變化.

圖5 靜態(tài)力位移特性Fig.5 Static force-displacement characteristic

圖6 力—電流特性Fig.6 Force-current characteristic

3 結 論

提出了一種新型直動式電—機械轉換器,具有耐高壓,運動慣量小的特性,使用了高磁導率的鐵鎳合金和高磁能積的釹鐵硼作為軟磁材料和永磁體以增大輸出的電磁力矩.理論分析和仿真結果表明,該直動式電—機械轉換器具有線性的力位移特性和較大的輸出力,可用于直接驅動數(shù)字閥,具有工程實用價值.

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[2] 裴翔,楊繼隆,鄭家錦,等.直動式電液數(shù)字伺服閥性能分析研究[J].浙江工業(yè)大學學報,2001,29(1):30-33,39.

[3] 王成賓,權龍.直線步進電機閉環(huán)控制的數(shù)字閥研究[J].機床與液壓,2008.36(11):92-95,66.

[4] 孟彬,阮健,邢彤,等.耐高壓低慣量直動式電-機械轉換器:中國,ZL200920116954.3[P].2010-01-20.

[5] 丁志剛,蔣黔麟,陶志鵬.微特直線電機及其控制[M].杭州:浙江大學出版社,1987.

[6] GURU B S,HIZIROGLU H R.Electromagnetic field theory fundamentals[M].2nd ed.Beijing:China M achine Press,2005.