新型阀用动圈式电机械转换器

宋宗南，许小庆，高 宇

(太原理工大学，太原030024)

0 引 言

电机械转换器作为电液开关阀、比例阀、伺服阀的驱动部件，其性能优劣对液压阀甚至液压控制系统有很大影响［1］。

目前，基于新材料的阀用电机械转换器在国内外取得了一定的进展［2－3］，但是由于输出位移小，造价高，适用面较窄，还没有广泛应用于工程技术领域中。基于电磁原理的动圈式电机械转换器一般采用永磁体轴向充磁的并联式结构，磁极不直接面对气隙，漏磁较大，且永磁体磁极并联安装困难，需要专用工具，增加了装配难度。电机械转换器采用永磁体径向充磁的串联式结构，磁极可直接面对气隙，漏磁小，磁极采用聚磁形态，磁通便于集中于气隙，有利于提高电机械转换器的输出值特性，且安装简单［4］，因此具有一定的应用优势和发展前景。

本文提出永磁体径向充磁的动圈式电机械转换器作为大流量伺服比例阀的先导级电机械转换器进行研究和分析，并对其输出特性进行初步分析。

1 结构与工作原理

电机械转换器的结构如图1所示。导磁心、外壳均采用导磁材料如电工纯铁;支架、限位块可采用非磁性材料;工作线圈可采用铜漆包线;圆环形永磁体可采用具有高磁能积的钕铁硼作为永磁材料，径向充磁，四块圆环形永磁体轴向长度t相等。

图1 电机械转换器结构

电机械转换器线圈通电时，线圈在工作气隙磁场中受到轴向洛伦兹力，线圈与支架组成的动子作为运动单元，其输出值与工作电流和气隙磁密相关。该电机械转换器有如下特点:(1)在运动过程中，工作气隙形状和磁密大小不变，因此输出力波动性小;

(2)线圈浸泡在低压油中，增强了散热性能，可提高力的输出值;(3)可以将线圈设计在永久磁铁内圈，使运动部分质量下降;(4)根据实际需求，可增加或减少磁极与线圈组数。

2 磁路分析

图2为具有四块永磁体的电机械转换器的等效磁路图。其磁路部分包括永磁体、导磁心、气隙、线圈、外壳。其中Rk为壳体等效磁阻，Rg为工作气隙等效磁阻，Rt为导磁心等效磁阻，M为永磁体磁势。

图2 电机械转换器等效磁路图

进行磁路分析时，可认为:

(1)当气隙厚度不变时，工作气隙中的磁场为均匀磁场。

(2)壳体等效磁阻Rk、导磁心等效磁阻Rt相对于工作气隙等效Rg非常小，分析过程中忽略不计。

当气隙圆柱面半径R在R0和R3之间变化时，其导磁面积:

式中:t为工作线圈宽度。

磁阻微元:

式中:μ0为真空磁导率。

工作气隙的磁阻［5］:

磁路磁通:

则任意工作柱面磁密:

在实际工作中，R0和R3固定不变，工作气隙内的磁场可以近似为匀强磁场，输出力:

式中:N为线圈匝数;L为单匝线圈长度;i为电流强度。由式(6)可知，电机械转换器具有双向驱动能力，可通过调节电流方向和强度，对其输出进行控制。

3 设计原则

分析式(3)～式(6)可知，提高电机械转换器输出特性可采用以下几种方法:

(1)增大工作电流

由于导线绝缘层和永磁体工作温度不宜过高，工作电流大小受到了一定的限制。图1结构的电机械转换器为湿式电机，低压油可带走工作时产生的热量，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

永磁体充磁强度主要由永磁材料决定，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)优化永磁体与线圈所占空间比例

参照图1结构的永磁体外置式电机械转换器，当永磁体外径确定时，输出力值会随着永磁体内径R3变化而上下波动，即当永磁体内径R3变小时，虽然可以增大磁势M，增大工作气隙磁密B，但是会减小线圈厚度d，影响电机械转换器的输出力值。因此，当永磁体径向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。

根据以上几种提高电机械转换器输出值的方法，对电机械转换器进行设计。

3.1 永磁体轴向长度分析

如图3所示，永磁体沿半径方向充磁，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。则有:

图3 磁密分布图

通过导磁心的磁密:

式中:Bt为永磁体磁密;Br为导磁心的磁密;St为导磁心横截面积。

分析式(8)，当t值过大时，会导致导磁心磁密Br过饱和，如图4(a)深色区域所示。

图4 导磁心磁密分布图

如图4(b)所示，适当减小永磁体轴向长度t，将一块较长的永磁体分成若干块较短的永磁体，可避免导磁心磁密过饱和，有利于磁路优化。因此，在图1的结构磁路中，采用了多块径向充磁式永磁体串联布置。

3.2 永磁体外置式设计

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。

电机械转换器可分为永磁体外置式和内置式。外置式可增大永磁体工作面磁通量，内置式可增大通电线圈的体积。图5为永磁体不同布置方式的电机械转换器内部磁密分布图。

图5 内部磁密分布图

分析图5(a)所示，永磁体内置式电机械转换器工作气隙磁密较低，大部分磁密集中在导磁心，磁能利用率较低，导磁心区域磁密过高，需要进一步增大导磁心直径以增强其导磁能力，导致电机械转换器输出力值减小。

如图5(b)所示，永磁体外置式电机械转换器工作气隙磁密较高，导磁心无明显磁密过饱和区域。

3.3 确定永磁体径向尺寸

图6是利用FEM计算永磁体内置式和外置式电机械转换器输出力F与环形永磁体内径R3的关系。

图6 F－R曲线

分析图6，永磁体外置式电机械转换器可以增大力的输出值。当采用永磁体外置式设计，环形永磁体内径为13.3 mm时，输出值F最大可达到43.4 N。

此外，由于线圈内置，减小了工作线圈的体积，即减小了动子质量，可以提高动子的响应速度。因此，电机械转换器采用永磁体外置式设计。

3.4 液阻分析

图1的电机械转换器为湿式电机，内部有低压油浸泡，因此动子在运动过程中，会受到一定的液阻作用。

动子在运动过程中，与导磁心、永磁体之间有一定的运动间隙，供油液流动。此外，在不影响导磁心磁路的情况下，其表面开有卸压槽，进一步减小液阻作用力，提高了电机械转换器的响应速度。

4 特性分析

4.1 静态特性F－I

图7为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特性曲线

分析图7，电机械转换器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。实际工作中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

当电流一定时，在工作行程内，输出力的波动性是衡量电机械转换器性能的重要指标。图8为FEM软件设置不同电流密度时电机械转换器的FX特性曲线。

图8 F－X特性曲线

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2.1 N，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;当电流达到8 A/mm2时，输出力F≥50 N，可直接驱动小流量伺服比例阀阀芯进行工作。

5 结 语

(1)通过采用径向充磁永磁体串联式结构设计，可增大工作气隙磁密，降低安装难度;

(2)通过将单个大块永磁体多块化设计，可避免导磁心磁密过饱和，提高永磁体磁能利用率。

(3)通过永磁体外置式设计，可提高了力的输出值，减小动子质量，提高响应速度;

(4)通过优化永磁体和导线圈所占空间比例，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］苏绍禹，高红霞.永磁发电机机理设计及应用［M］.北京:机械工业出版社，2012:38－39.

［5］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.

［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，(12):32－34.