新型比例阀用动磁式电机械转换器

宋宗南，许小庆，高 宇

(太原理工大学，山西太原030024)

0 引 言

比例阀广泛应用于工程技术领域，具有高频响、高精度的特点。电机械转换器作为其重要元件，性能优劣对比例阀甚至液压控制系统有很大影响［1］。当系统流量要求不大时，可采用电机械转换器直接驱动阀芯;当系统要求大流量时，则需采用两级以上驱动方案。目前电机械转换器结构主要基于电磁原理，虽然基于新材料的伺服比例阀用电机械转换器在国内外取得了一定的发展［2－3］，但是由于输出位移小、造价高，目前处于研究之中，还没有在工程技术中得到广泛应用。

因此研究大流量伺服比例阀先导级用的低成本、高响应电机械转换器，具有一定实用价值。本文提出采用动磁式电机械转换器(以下简称MMEM)作为大流量伺服比例阀的先导级的驱动部分进行研究和分析，并对其特性进行初步分析。

1 结构与工作原理

MMEM 的二维结构如图1 所示。

图1 MMEM 二维结构示意图

MMEM 主要包括动子和定子两大部分。动子主要包括输出轴、永磁体、导磁心，定子主要包括线圈、线圈支架、壳体。为防止漏磁，前后端盖、输出杆均采用非导磁材料如不锈钢，支架采用非导磁性材料;导磁心与外壳采用电工纯铁;永磁体一般采用钕铁硼作为充磁材料，轴向充磁。

2 磁路分析

MMEM 的磁路部分包括永磁体、导磁心、气隙、线圈、外壳。图2 为MMEM 的等效磁路图。其中Rg为工作气隙磁阻，Rk为壳体等效磁阻，Rt为导磁心等效磁阻，M 为永磁体磁势。

图2 动磁式直线电机等效磁路

进行磁路分析时，做以下假设:

1)工作气隙环形空间高度不变，导磁率为真空导磁率μ0，当气隙厚度不变时，工作气隙中的磁场可以认为均匀磁场。

2)相对于工作气隙Rg，壳体等效磁阻Rk和导磁心等效磁阻Rt都很小，因此在简化分析过程中可忽略不计。

当气隙圆柱面半径R 在R1和R2之间变化时，其柱面导磁面积:

磁阻微元:

工作气隙的磁阻［4］:

磁路磁通:

则任意工作柱面磁密:

在实际工作中，R1和R2相差不大，工作气隙内的磁场可以近似为匀强磁场，输出力［5］:

3 MMEM 设计原则

分析式(3)～式(6)可以得出，提高电机械转换器输出力一般可采用以下几种方法:

1)增大工作电流

因导线绝缘层工作环境温度不能过高，电机械转换器的工作电流大小受到了限制;此外永磁体在高温情况下容易发生退磁现象，因此线圈内工作温度不能过高。在图1 结构的电机械转换器工作过程中低压油可带走线圈通电时产生的部分热量，增强导线通电能力，从而提高其输出力值。

2)增大永磁体磁势M

永磁材料是决定永磁体充磁强度的主要因素，当采用高磁能积磁性材料钕铁硼时，其饱和磁密B为1．05～1．3 T［6］。此外，与永磁体的形状、体积也有一定关系。

3)增大气隙磁场中工作线圈体积

提高气隙磁场中通电导线的总体长度，即提高工作线圈的体积，提高通电线圈对磁能的利用率，从而可以提高力的输出值。

对MMEM 进行设计时，应遵守以上原则。

3.1 动磁式结构设计

图3 为电机械转换器运动过程中运动间隙示意图，其中d1为外壳与支架间间隙;d2为导磁心与支架间间隙。

图3 运动间隙分析

如果将电机械转换器设计为动圈式，则d1和d2均为运动间隙，需要一定的值来保证其正常相对运动。图1 结构所设计的电机械转换器为动磁式，外壳与支架间无相对运动，因此可以减小d1值，使其只需满足装配要求即可。为了保证电机械转换器动子自由运动，d2值不宜过小。

d1值减小，R2值也随之减小。由式(5)可知，减小R2，可以增大工作柱面磁密B，从而提高力的输出值。

此外，由于动磁式设计中通电线圈无低压油浸泡，因此解决了导线引出口处的密封问题，提高了工艺性，便于安装拆卸。

3.2 异形导磁心结构设计

永磁体磁极表面的磁感应强度除与构成永磁体的材料、成型工艺，充磁电流有关外，还与永磁体的几何形状、磁极面积、两极面积之间的距离有关。永磁体在极面面积不变的情况下随永磁体长度与磁极表面磁感应强度的变化曲线［7］，如图4 所示。

图4 B－b 曲线

根据文献［7］介绍，当圆柱永磁体两极面距离b与其直径2R1相等时，是永磁体比较科学合理的几何形状。

图1 的结构磁路中，在不考虑漏磁的情况下，通过永磁体极面的磁通量等于通过导磁心柱面的磁通量。即:

式中:B1为永磁体极面磁感应强度;B2为导磁心柱面磁感应强度。因此导磁心柱面宽度:

MMEM 的响应速度与其动子质量大小有密切关系。图5 为FEM 分析MMEM 的磁密分布图。

图5 MMEM 磁密分布

从图5(a)部分可以看出，导磁心三角形区域显深色，磁密很小，未达到饱和状态，因此可以将此区域导磁心去除，以减轻运动部件的质量，提高动子响应速度。优化后，如图5(b)部分，导磁心只有很小部分区域磁密接近饱和状态，不影响电机械转换器磁路。

3.3 增大磁场中通电线圈体积

当MMEM 的工作行程为L 时，为了保证MMEM的F－x 曲线特性平稳无波动并提高输出力值，因此应该设计线圈槽宽度C≥t + 2L，使动子在运动过程中，工作气隙尽可能多的充满通电线圈。分析图5 可知，这一设计结果能够提高工作线圈对磁能的利用率，达到提高MMEM 的输出力值和减小输出力波动性的目的。

3.4 确定永磁体半径

在液压系统实际工作中，阀用电机械转换器受到其工作空间限制，因此体积不宜过大。

参照图1 结构的电机械转换器，当其半径R3确定时，输出力值会随着永磁体半径变化而上下波动，即当永磁体半径R1变大时，虽然可以增大磁势M，增大工作气隙磁密B，但是线圈厚度d 就会减小，影响电机械转换器的输出力值。因此，当永磁体半径尺寸达到某一确定值时，电机械转换器静态输出值可以达到最大。

图6 是利用FEM 计算电机械转换器的输出力与永磁体半径的关系，当永磁体半径为11．3 mm时，电机械转换器的输出值F 可以达到最大。

图6 F－R 曲线

4 特性分析

4.1 静态特性F－I

图7 为利用FEM 分析图1 结构电机械转换器在不同电流密度时F－I 特性曲线。

图7 F－I 曲线

从图7 可知，MMEM 在不同电流密度下的输出力值点基本排列在一条直线上，具有很高的线性度。实际工作需求时，可通过调节工作电流大小和方向，达到控制电机械转换器输出的目的。

4.2 静态特性F－X

在工作行程内，电流一定时，输出力的波动性是衡量其性能的重要指标。图8 为利用FEM 分析图1结构电机械转换器在不同电流下的F－X 特性曲线。

图8 F－X 曲线

分析图8，当电流密度为6 A/mm2时，在工作行程内，输出力最大值与最小值之差为1．6 N，波动范围不大于输出力值的5%，说明电机械转换器输出力平稳，无明显波动，可以满足实际工作中大流量伺服比例阀的先导级驱动需要。

5 结 语

(1)通过采用动磁式结构，减小外壳和线圈支架间隙，可提高工作气隙磁密，还可提高制造工艺性，便于安装拆卸;

(2)通过采用异形导磁心结构，在不影响磁路的情况下，减小了动子质量，可提高反应速度;

(3)通过增大工作气隙内通电导线圈体积，可提高力的输出值，减小力的波动性;

(4)通过合理分配永磁体直径和导线圈厚度比例，可提高通电线圈对永磁体的磁能利用率和力的输出值。

［1］ 王淑红，肖旭亮，熊光熠．直流恒力电磁铁特性［J］．机械工程学报，2008，44(2):244－247．

［2］ 夏春林，丁凡，路甬祥．超磁致伸缩材料驱动器实验研究［J］．电工技术学报，1999，14(4):14－16．

［3］ Reichert M．Piezoaktoren in der Ventilvorsteuerung hochdynamisches hydraulisches servoventil［J］．Oelhydraulik und Pneumatik，2007，51(1):22－26．

［4］ 许小庆，权龙，王旭平．伺服比例阀用动圈式直线电机［J］．中国电机工程学报，2010，30(9):92－96．

［5］ 王淑红，熊光煜．新型筒型永磁动圈式直线电动机气隙磁场解析分析［J］．电工技术学报，2007，22(5):40－44．

［6］ 焦留成，禹沛，禹涓．稀土永磁材料及其在直线电机中的应用展望［J］．微特电机，1997，25(2):32－34．

［7］ 苏绍禹，高红霞．永磁发电机机理设计及应用［J］．北京:机械工业出版社，2012，4(1):21－23．