劉 帥，許小慶，唐浩峰，殷靜凱

(太原理工大學(xué)，太原 030024)

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動(dòng)圈式大推力電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究

劉 帥，許小慶，唐浩峰，殷靜凱

(太原理工大學(xué)，太原 030024)

為滿足電液比例閥的大功率驅(qū)動(dòng)和響應(yīng)速度快的要求，研究了提高動(dòng)圈式雙向電機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出力的方法，對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元方法對(duì)其靜態(tài)特性進(jìn)行了仿真計(jì)算.研制出了大推力動(dòng)圈式電機(jī)械轉(zhuǎn)換器樣機(jī)，對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。理論分析和試驗(yàn)研究表明，所設(shè)計(jì)的動(dòng)圈式雙向電機(jī)械轉(zhuǎn)換器能夠滿足電液比例閥的大功率驅(qū)動(dòng)需求。

比例閥；動(dòng)圈式；大功率驅(qū)動(dòng)；電機(jī)械轉(zhuǎn)換器

0 引 言

近年來(lái)，隨著電子信息技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，電液比例控制技術(shù)也得到了迅速進(jìn)步，這就使電液比例閥開始應(yīng)用于很多傳統(tǒng)上屬于電液伺服閥應(yīng)用的領(lǐng)域，成為了流體傳動(dòng)領(lǐng)域和控制技術(shù)領(lǐng)域中的最重要的控制元件之一。電機(jī)械轉(zhuǎn)換器是電液比例閥的關(guān)鍵元件，是電液比例閥的驅(qū)動(dòng)單元，是連接電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的橋梁。電機(jī)械轉(zhuǎn)換器將小功率的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以力、位移的形式輸出，驅(qū)動(dòng)液壓閥閥芯，控制液壓閥的開口大小和運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓執(zhí)行元件的位移、速度、加速度以及力的控制，其輸出特性在很大程度上影響著液壓控制系統(tǒng)的特性。

提高電液比例閥的綜合性能的一個(gè)非常重要的途徑就是提高電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的特性，提高其驅(qū)動(dòng)能力。對(duì)此，研究開發(fā)高性能的電液比例閥用電機(jī)械轉(zhuǎn)換器具有非常重要的意義，而且低成本、高輸出特性的電機(jī)械轉(zhuǎn)換器，具有較高的實(shí)用價(jià)值[1]。

本文通過對(duì)雙向電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的研究和分析，利用有限元分析軟件Ansoft建立軟件分析模型，利用軟件中的變量功能，研究永久磁鐵的結(jié)構(gòu)尺寸與線圈尺寸之間的最佳關(guān)系，并確定電機(jī)械轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵部件的最優(yōu)尺寸和形狀，在結(jié)構(gòu)方案上進(jìn)一步創(chuàng)新和發(fā)展。建立靜磁場(chǎng)分析模型，對(duì)電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)特性進(jìn)行分析。研究樣機(jī)的試驗(yàn)方案，并對(duì)樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)

動(dòng)圈式雙向電機(jī)械轉(zhuǎn)換器工作原理如圖1所示，由永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線從永久磁鐵的北極穿過線圈回到該永久磁鐵的南極，形成了閉合回路。當(dāng)線圈通電時(shí)，通電線圈在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用，其受力大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度和通電線圈中的電流大小有關(guān)，其受力方向與線圈中的電流方向有關(guān)。

圖1 工作原理示意圖

動(dòng)圈式雙向電機(jī)械轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如圖2所示，線圈和線圈支架是電機(jī)械轉(zhuǎn)換器運(yùn)動(dòng)部分的主要部分。

圖2 動(dòng)圈式雙向電機(jī)械轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

2 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)及仿真分析

2.1 提高輸出力的方法

該動(dòng)圈式雙向電機(jī)械轉(zhuǎn)換器為軸向充磁式，其輸出力為線圈在磁場(chǎng)受到的洛倫茲力F，其大小為F=BiLN。式中：N為線圈匝數(shù)，L為單匝線圈平均長(zhǎng)度，i為電流強(qiáng)度，B為工作氣隙磁密。

2.1.1 增加線圈的匝數(shù)

輸出力F與線圈匝數(shù)N呈正比?？梢酝ㄟ^增加磁場(chǎng)中線圈的匝數(shù)，達(dá)到提高其輸出力的目的。

2.1.2 增強(qiáng)永久磁鐵的充磁強(qiáng)度

永久磁鐵的充磁強(qiáng)度與充磁的材料有關(guān)，不同的充磁材料的飽和磁密是不一樣的，其允許通過的磁通量也不同。電機(jī)械轉(zhuǎn)換器通常選用釹鐵硼為充磁材料。永久磁鐵的充磁強(qiáng)度還與永久磁鐵的體積、外形等因素有關(guān)，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量增加永久磁鐵的體積。

2.1.3 增大線圈的通電電流

增大線圈的通電電流可以達(dá)到直接增加電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力的效果，但是通電線圈承受高溫的能力是限制通電電流的關(guān)鍵因素，溫度過高可能使線圈的絕緣層失效，另外，永久磁鐵在高溫下，其特性會(huì)發(fā)生變化，性能下降。

圖4是高原4月整體及各分區(qū)的感熱通量與長(zhǎng)江以南地區(qū)夏季降水的相關(guān)系數(shù)分布。高原整體(圖4a)、高原E區(qū)(圖4f)及高原東南部的G區(qū)(圖4h)與夏季長(zhǎng)江以南的降水具有較好的相關(guān)性關(guān)系,尤其是高原喜馬拉雅地區(qū)(E區(qū))感熱通量與長(zhǎng)江以南絕大部分地區(qū)降水的相關(guān)通過了95%置信度的顯著性檢驗(yàn)。

2.2 電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)圈式雙向電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用永久磁鐵和鐵心組成的軸向充磁式的電機(jī)械轉(zhuǎn)換器，永久磁鐵的作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，鐵心的作用是導(dǎo)磁。為便于線圈和線圈支架的運(yùn)動(dòng)，在線圈支架與外殼、永久磁鐵之間保留一定的運(yùn)動(dòng)間隙，但應(yīng)該在確保線圈和線圈支架可以自由運(yùn)動(dòng)的前提下，盡可能減小其運(yùn)動(dòng)間隙，從而減小磁阻，增加磁通，達(dá)到增加輸出力的目的。此外，在確保線圈支架可以正常使用的前提下，可以有效的減小線圈支架的實(shí)體體積，以便減小電機(jī)械轉(zhuǎn)換器運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量，從而提高電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度。

2.3 仿真分析

利用Ansoft Maxwell 2D軟件建立靜磁場(chǎng)分析模型，分析電機(jī)械轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵部件的最優(yōu)尺寸，并對(duì)電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。

2.3.1 電機(jī)械轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵部件分析

根據(jù)圖2所示的動(dòng)圈式雙向電機(jī)械轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)和上述的提高電機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出力的方法可知，增大電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的外殼尺寸，可以直接達(dá)到增加永久磁鐵的半徑和線圈的匝數(shù)的效果，從而有效的提高電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力。然而，由于外界因素的限制，電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的外殼尺寸大小一般是確定的。此時(shí)，增大永久磁鐵的半徑R，就會(huì)減少線圈的匝數(shù)，進(jìn)而影響到電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力。相反，增加線圈的匝數(shù)就是導(dǎo)致永久磁鐵的半徑R減小，也影響電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力。因此，這就要求找到永久磁鐵半徑R使輸出力可以達(dá)到最大的永久磁鐵半徑R的值。

(1)F-R關(guān)系分析

利用Ansoft Maxwell 2D軟件可計(jì)算出電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力F與永久磁鐵半徑R的關(guān)系如圖3所示，當(dāng)永久磁鐵的半徑R為r4時(shí)，電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力F可以達(dá)到最大。

圖3 輸出力F與半徑R的關(guān)系

(2)F-R,S關(guān)系分析

為了更加精確的分析永久磁鐵半徑R和電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出值F的關(guān)系，利用Ansoft分別計(jì)算出永久磁鐵半徑R為r3，r4，r5，r6時(shí)，電機(jī)械轉(zhuǎn)換器運(yùn)動(dòng)部分在工作行程內(nèi)的輸出力F和運(yùn)動(dòng)位移S的關(guān)系。如圖4所示，在工作行程內(nèi)，永久磁鐵半徑R為r4時(shí)的輸出力一直高于其半徑R為其他值時(shí)的輸出力，而且永久磁鐵半徑R為r6時(shí)的輸出力和其半徑R為其他值時(shí)的輸出力相差較大 。

圖4 輸出力F和運(yùn)動(dòng)位移S的關(guān)系

(3)a-R關(guān)系分析

圖5 加速度a和半徑R的關(guān)系

綜上所述，雖然當(dāng)永久磁鐵半徑R等于r4時(shí)，電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)加速度沒有達(dá)到最大值，但是當(dāng)永久磁鐵半徑R大于r4時(shí)，電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力F就呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢(shì)。因此，綜合考慮上述因素，取永久磁鐵半徑R為r4，此時(shí)電機(jī)械轉(zhuǎn)換器不僅輸出值F可以達(dá)到最大，而且也有較高的響應(yīng)加速度。

2.3.2 靜態(tài)特性仿真研究

(1)F-J特性研究

利用Ansoft Maxwell 2D軟件分析在不同的電流密度時(shí)動(dòng)圈式雙向電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的F-J特性曲線。如圖6所示，電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力和電流密度基本上呈現(xiàn)為線性增加的關(guān)系。由此可見，電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的工作電流直接影響著電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力。

圖6 輸出力F和電流密度J的關(guān)系

(2)F-S特性研究

利用Ansoft Maxwell 2D軟件分析動(dòng)圈式雙向電機(jī)械轉(zhuǎn)換器在工作行程內(nèi)不同的電流密度時(shí)的F-S特性曲線。如圖7所示，各個(gè)電流密度的F-S特性曲線基本上呈現(xiàn)為水平線。雖然隨著電流密度的增大，電機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出力最大值與最小值的差值和波動(dòng)程度都有所增加，但是總體而言，電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力穩(wěn)定，沒有明顯的波動(dòng)。

圖7 輸出力F和運(yùn)動(dòng)位移S的關(guān)系

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案

圖8是所研制樣機(jī)的實(shí)物圖。圖9為試驗(yàn)研究系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電源、雙向控制器、電流表、樣機(jī)、力傳感器、數(shù)字顯示儀和試驗(yàn)架臺(tái)組成。該試驗(yàn)通過項(xiàng)目組所研制的雙向控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)樣機(jī)電流大小和方向的控制，其中通過電流表顯示工作電流的大小，通過試驗(yàn)架臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣機(jī)運(yùn)動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)位移的控制，以此來(lái)測(cè)試不同電流和不同運(yùn)動(dòng)位移時(shí)，樣機(jī)對(duì)力傳感器的作用力，并通過數(shù)字顯示儀呈現(xiàn)出力的大小。

圖8 樣機(jī)實(shí)物圖

圖9 試驗(yàn)研究系統(tǒng)

3.2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)前，根據(jù)公式J=ηI/S計(jì)算出所需電流的大小，式中J為電流密度，η為占空比，I為工作電流，S為線圈橫截面積。

3.2.1F-J特性研究

試驗(yàn)時(shí)先調(diào)整試驗(yàn)架臺(tái)，讓電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的運(yùn)動(dòng)部分在工作行程的中心位置，然后確定電流方向，通過雙向控制器調(diào)節(jié)電流大小得出一組數(shù)據(jù)。改變電流方向，通過雙向控制器調(diào)節(jié)電流大小再得出一組數(shù)據(jù)，并對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析樣機(jī)在不同的電流密度時(shí)的F-J特性曲線。如圖10所示，樣機(jī)正向和反向的輸出力和電流密度基本上都呈現(xiàn)為線性增加的關(guān)系，與仿真分析的F-J特性相近。但是在相同電流密度的條件下，樣機(jī)反向時(shí)的輸出力一直稍微大于樣機(jī)正向時(shí)的輸出力。初步分析，這種現(xiàn)象由機(jī)械摩擦造成，對(duì)樣機(jī)的輸出力影響不大。由此可以表明，樣機(jī)的F-J特性良好，能夠達(dá)到仿真分析的效果，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)通過調(diào)節(jié)電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的工作電流可以達(dá)到控制電機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出力的目的。

圖10 輸出力F和電流密度J的關(guān)系

3.2.2F-S特性研究

試驗(yàn)時(shí)先確定一組通電電流，然后通過控制電機(jī)械轉(zhuǎn)換器使其運(yùn)動(dòng)部分從工作行程的初始位置運(yùn)動(dòng)到工作行程的終點(diǎn)，并記錄運(yùn)動(dòng)過程中各運(yùn)動(dòng)位移處的力，得出一組數(shù)據(jù)。通過雙向控制器改變電流大小，操作同上面所述，得出各組數(shù)據(jù)，并對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析樣機(jī)在工作行程內(nèi)不同的電流密度時(shí)的F-S特性曲線。如圖11所示，樣機(jī)的電流密度為10 A/mm2的F-S特性曲線基本上呈現(xiàn)為水平線。當(dāng)電流密度為0 A/mm2時(shí)，樣機(jī)輸出力不為零，說(shuō)明樣機(jī)的動(dòng)子在運(yùn)動(dòng)時(shí)受到摩擦力。當(dāng)電流密度為2 A/mm2時(shí)，樣機(jī)輸出力的最大值與最小值相差5.9 N，其波動(dòng)幅度為27%。當(dāng)電流密度為6 A/mm2時(shí)，樣機(jī)輸出力的最大值與最小值相差7.6 N，其波動(dòng)幅度為12%。當(dāng)電流密度為10 A/mm2時(shí)，樣機(jī)輸出力的最大值與最小值相差5.7 N，其波動(dòng)幅度為5.4%。由此可見，隨著電流密度的增大，樣機(jī)輸出力的波動(dòng)幅度減小，造成這種現(xiàn)象的主要因素是樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)部分在運(yùn)動(dòng)過程中受到摩擦力的作用，電流密度越小，受到摩擦力的影響越大。但是當(dāng)電流密度達(dá)到10 A/mm2時(shí)，樣機(jī)的輸出力穩(wěn)定，沒有明顯的波動(dòng)。因此，該樣機(jī)適用于需要大功率驅(qū)動(dòng)的電液伺服比例閥。

圖11 輸出力F和運(yùn)動(dòng)位移S的關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

1)通過改變永久磁鐵的半徑，可以直接影響到輸出力和響應(yīng)加速度的大小，因此確定最佳半徑可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)圈式雙向電機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出力的提高；

2)通過仿真研究和試驗(yàn)研究的對(duì)比，樣機(jī)的力-電特性可以達(dá)到仿真力-電特性的效果，因此通過調(diào)節(jié)工作電流可以實(shí)現(xiàn)輸出力的控制；

3)通過仿真分析和試驗(yàn)研究的對(duì)比，在小功率輸出時(shí)樣機(jī)的力-位移特性不佳，在大功率輸出時(shí)樣機(jī)的力-位移特性良好，輸出力穩(wěn)定，沒有明顯波動(dòng)。

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

[2] 許小慶，楊敬.閥用電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器動(dòng)靜態(tài)性能測(cè)試方法[J].微特電機(jī)，2011(10)：26-28.

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Design and Experimental Study of Large Thrust Moving-Coil Electro-Mechanical Transformer

LIUShuai,XUXiao-qing，TANGHao-feng，YINJing-kai

(Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

In order to meet the requirements of high power drive and high response of electro-hydraulic proportional valve, the methods for improving output power of the moving-coil bidirectional electro-mechanical transformer was studied, the optimization design of its structure size was carried out, and the simulation analysis of its static characteristics was calculated by using the finite element method.The prototype of the large thrust moving-coil electro-mechanical transformer was developed,and experimental study of the prototype was carried out.Theoretical analysis and experimental study show that, the designed moving coil type bidirectional electro-mechanical transformer can meet the demand drive electro-hydraulic proportional valve of high power.

moving-coil; proportional valve; high power drive; electro-mechanical transformer

2015-11-11

山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015011057)；山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013011023-2)

TM351

A

1004-7018(2016)09-0033-03

劉帥(1989-)，男，在讀碩士，研究方向?yàn)殚y用電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器。