動圈式大推力電機械轉換器的設計和試驗研究

劉 帥，許小慶，唐浩峰，殷靜凱

(太原理工大學，太原 030024)

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動圈式大推力電機械轉換器的設計和試驗研究

劉 帥，許小慶，唐浩峰，殷靜凱

(太原理工大學，太原 030024)

為滿足電液比例閥的大功率驅動和響應速度快的要求，研究了提高動圈式雙向電機械轉換器輸出力的方法，對其結構尺寸進行了優化設計，利用有限元方法對其靜態特性進行了仿真計算.研制出了大推力動圈式電機械轉換器樣機，對該樣機進行了試驗研究。理論分析和試驗研究表明，所設計的動圈式雙向電機械轉換器能夠滿足電液比例閥的大功率驅動需求。

比例閥；動圈式；大功率驅動；電機械轉換器

0 引 言

近年來，隨著電子信息技術的不斷更新和發展，電液比例控制技術也得到了迅速進步，這就使電液比例閥開始應用于很多傳統上屬于電液伺服閥應用的領域，成為了流體傳動領域和控制技術領域中的最重要的控制元件之一。電機械轉換器是電液比例閥的關鍵元件，是電液比例閥的驅動單元，是連接電氣系統和機械系統的橋梁。電機械轉換器將小功率的電信號轉換為機械能，以力、位移的形式輸出，驅動液壓閥閥芯，控制液壓閥的開口大小和運動速度，實現對液壓執行元件的位移、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的特性。

提高電液比例閥的綜合性能的一個非常重要的途徑就是提高電機械轉換器的特性，提高其驅動能力。對此，研究開發高性能的電液比例閥用電機械轉換器具有非常重要的意義，而且低成本、高輸出特性的電機械轉換器，具有較高的實用價值[1]。

本文通過對雙向電機械轉換器的研究和分析，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，研究永久磁鐵的結構尺寸與線圈尺寸之間的最佳關系，并確定電機械轉換器關鍵部件的最優尺寸和形狀，在結構方案上進一步創新和發展。建立靜磁場分析模型，對電機械轉換器的靜態特性進行分析。研究樣機的試驗方案，并對樣機的試驗數據進行比較分析。

1 工作原理及結構

動圈式雙向電機械轉換器工作原理如圖1所示，由永久磁鐵產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。當線圈通電時，通電線圈在磁場中受到洛倫茲力的作用，其受力大小與磁場強度和通電線圈中的電流大小有關，其受力方向與線圈中的電流方向有關。

圖1 工作原理示意圖

動圈式雙向電機械轉換器結構如圖2所示，線圈和線圈支架是電機械轉換器運動部分的主要部分。

圖2 動圈式雙向電機械轉換器結構

2 轉換器的設計及仿真分析

2.1 提高輸出力的方法

該動圈式雙向電機械轉換器為軸向充磁式，其輸出力為線圈在磁場受到的洛倫茲力F，其大小為F=BiLN。式中：N為線圈匝數，L為單匝線圈平均長度，i為電流強度，B為工作氣隙磁密。

2.1.1 增加線圈的匝數

輸出力F與線圈匝數N呈正比?？梢酝ㄟ^增加磁場中線圈的匝數，達到提高其輸出力的目的。

2.1.2 增強永久磁鐵的充磁強度

永久磁鐵的充磁強度與充磁的材料有關，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。電機械轉換器通常選用釹鐵硼為充磁材料。永久磁鐵的充磁強度還與永久磁鐵的體積、外形等因素有關，所以設計時應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到直接增加電機械轉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，其特性會發生變化，性能下降。

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

2.2 電機械轉換器的結構設計

動圈式雙向電機械轉換器的結構如圖2所示，采用永久磁鐵和鐵心組成的軸向充磁式的電機械轉換器，永久磁鐵的作用是產生磁場，鐵心的作用是導磁。為便于線圈和線圈支架的運動，在線圈支架與外殼、永久磁鐵之間保留一定的運動間隙，但應該在確保線圈和線圈支架可以自由運動的前提下，盡可能減小其運動間隙，從而減小磁阻，增加磁通，達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體體積，以便減小電機械轉換器運動部分的質量，從而提高電機械轉換器的響應速度。

2.3 仿真分析

利用Ansoft Maxwell 2D軟件建立靜磁場分析模型，分析電機械轉換器關鍵部件的最優尺寸，并對電機械轉換器的靜態特性進行仿真分析。

2.3.1 電機械轉換器關鍵部件分析

根據圖2所示的動圈式雙向電機械轉換器結構和上述的提高電機械轉換器輸出力的方法可知，增大電機械轉換器的外殼尺寸，可以直接達到增加永久磁鐵的半徑和線圈的匝數的效果，從而有效的提高電機械轉換器的輸出力。然而，由于外界因素的限制，電機械轉換器的外殼尺寸大小一般是確定的。此時，增大永久磁鐵的半徑R，就會減少線圈的匝數，進而影響到電機械轉換器的輸出力。相反，增加線圈的匝數就是導致永久磁鐵的半徑R減小，也影響電機械轉換器的輸出力。因此，這就要求找到永久磁鐵半徑R使輸出力可以達到最大的永久磁鐵半徑R的值。

(1)F-R關系分析

利用Ansoft Maxwell 2D軟件可計算出電機械轉換器的輸出力F與永久磁鐵半徑R的關系如圖3所示，當永久磁鐵的半徑R為r4時，電機械轉換器的輸出力F可以達到最大。

圖3 輸出力F與半徑R的關系

(2)F-R,S關系分析

為了更加精確的分析永久磁鐵半徑R和電機械轉換器的輸出值F的關系，利用Ansoft分別計算出永久磁鐵半徑R為r3，r4，r5，r6時，電機械轉換器運動部分在工作行程內的輸出力F和運動位移S的關系。如圖4所示，在工作行程內，永久磁鐵半徑R為r4時的輸出力一直高于其半徑R為其他值時的輸出力，而且永久磁鐵半徑R為r6時的輸出力和其半徑R為其他值時的輸出力相差較大 。

圖4 輸出力F和運動位移S的關系

(3)a-R關系分析

圖5 加速度a和半徑R的關系

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

2.3.2 靜態特性仿真研究

(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動圈式雙向電機械轉換器的F-J特性曲線。如圖6所示，電機械轉換器的輸出力和電流密度基本上呈現為線性增加的關系。由此可見，電機械轉換器的工作電流直接影響著電機械轉換器的輸出力。

圖6 輸出力F和電流密度J的關系

(2)F-S特性研究

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

圖7 輸出力F和運動位移S的關系

3 試驗研究

3.1 試驗方案

圖8是所研制樣機的實物圖。圖9為試驗研究系統，該系統由電源、雙向控制器、電流表、樣機、力傳感器、數字顯示儀和試驗架臺組成。該試驗通過項目組所研制的雙向控制器實現對樣機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，通過試驗架臺實現對樣機運動部分運動位移的控制，以此來測試不同電流和不同運動位移時，樣機對力傳感器的作用力，并通過數字顯示儀呈現出力的大小。

圖8 樣機實物圖

圖9 試驗研究系統

3.2 試驗研究

試驗前，根據公式J=ηI/S計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

試驗時先調整試驗架臺，讓電機械轉換器的運動部分在工作行程的中心位置，然后確定電流方向，通過雙向控制器調節電流大小得出一組數據。改變電流方向，通過雙向控制器調節電流大小再得出一組數據，并對兩種數據進行整理。通過試驗數據分析樣機在不同的電流密度時的F-J特性曲線。如圖10所示，樣機正向和反向的輸出力和電流密度基本上都呈現為線性增加的關系，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，樣機反向時的輸出力一直稍微大于樣機正向時的輸出力。初步分析，這種現象由機械摩擦造成，對樣機的輸出力影響不大。由此可以表明，樣機的F-J特性良好，能夠達到仿真分析的效果，在實際應用時通過調節電機械轉換器的工作電流可以達到控制電機械轉換器輸出力的目的。

圖10 輸出力F和電流密度J的關系

3.2.2F-S特性研究

試驗時先確定一組通電電流，然后通過控制電機械轉換器使其運動部分從工作行程的初始位置運動到工作行程的終點，并記錄運動過程中各運動位移處的力，得出一組數據。通過雙向控制器改變電流大小，操作同上面所述，得出各組數據，并對所有數據進行整理。通過試驗數據分析樣機在工作行程內不同的電流密度時的F-S特性曲線。如圖11所示，樣機的電流密度為10 A/mm2的F-S特性曲線基本上呈現為水平線。當電流密度為0 A/mm2時，樣機輸出力不為零，說明樣機的動子在運動時受到摩擦力。當電流密度為2 A/mm2時，樣機輸出力的最大值與最小值相差5.9 N，其波動幅度為27%。當電流密度為6 A/mm2時，樣機輸出力的最大值與最小值相差7.6 N，其波動幅度為12%。當電流密度為10 A/mm2時，樣機輸出力的最大值與最小值相差5.7 N，其波動幅度為5.4%。由此可見，隨著電流密度的增大，樣機輸出力的波動幅度減小，造成這種現象的主要因素是樣機的運動部分在運動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。但是當電流密度達到10 A/mm2時，樣機的輸出力穩定，沒有明顯的波動。因此，該樣機適用于需要大功率驅動的電液伺服比例閥。

圖11 輸出力F和運動位移S的關系

4 結 語

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加速度的大小，因此確定最佳半徑可以實現對動圈式雙向電機械轉換器輸出力的提高；

2)通過仿真研究和試驗研究的對比，樣機的力-電特性可以達到仿真力-電特性的效果，因此通過調節工作電流可以實現輸出力的控制；

3)通過仿真分析和試驗研究的對比，在小功率輸出時樣機的力-位移特性不佳，在大功率輸出時樣機的力-位移特性良好，輸出力穩定，沒有明顯波動。

[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] 許小慶，楊敬.閥用電-機械轉換器動靜態性能測試方法[J].微特電機，2011(10)：26-28.

[3] 王淑紅，熊光煜.新型筒形永磁動圈式直線電動機氣隙磁場解析分析[J].電工技術學報，2007,22(5)：40-44.

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

[5] 李其朋，方平，丁凡.新型雙向比例電-機械轉換器的研制[J].液壓與傳動，2005(12)：62-63.

[6] 蘇紹禹，高紅霞．永磁發電機機理設計及應用[J]．機械工業出版社，2012，4(1)：38-39.

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

山西省自然科學基金項目(2015011057)；山西省自然科學基金項目(2013011023-2)

TM351

A

1004-7018(2016)09-0033-03

劉帥(1989-)，男，在讀碩士，研究方向為閥用電-機械轉換器。