动圈式大推力电机械转换器的设计和试验研究

刘 帅，许小庆，唐浩峰，殷静凯

(太原理工大学，太原 030024)



动圈式大推力电机械转换器的设计和试验研究

刘 帅，许小庆，唐浩峰，殷静凯

(太原理工大学，太原 030024)

为满足电液比例阀的大功率驱动和响应速度快的要求，研究了提高动圈式双向电机械转换器输出力的方法，对其结构尺寸进行了优化设计，利用有限元方法对其静态特性进行了仿真计算.研制出了大推力动圈式电机械转换器样机，对该样机进行了试验研究。理论分析和试验研究表明，所设计的动圈式双向电机械转换器能够满足电液比例阀的大功率驱动需求。

比例阀；动圈式；大功率驱动；电机械转换器

0 引 言

近年来，随着电子信息技术的不断更新和发展，电液比例控制技术也得到了迅速进步，这就使电液比例阀开始应用于很多传统上属于电液伺服阀应用的领域，成为了流体传动领域和控制技术领域中的最重要的控制元件之一。电机械转换器是电液比例阀的关键元件，是电液比例阀的驱动单元，是连接电气系统和机械系统的桥梁。电机械转换器将小功率的电信号转换为机械能，以力、位移的形式输出，驱动液压阀阀芯，控制液压阀的开口大小和运动速度，实现对液压执行元件的位移、速度、加速度以及力的控制，其输出特性在很大程度上影响着液压控制系统的特性。

提高电液比例阀的综合性能的一个非常重要的途径就是提高电机械转换器的特性，提高其驱动能力。对此，研究开发高性能的电液比例阀用电机械转换器具有非常重要的意义，而且低成本、高输出特性的电机械转换器，具有较高的实用价值[1]。

本文通过对双向电机械转换器的研究和分析，利用有限元分析软件Ansoft建立软件分析模型，利用软件中的变量功能，研究永久磁铁的结构尺寸与线圈尺寸之间的最佳关系，并确定电机械转换器关键部件的最优尺寸和形状，在结构方案上进一步创新和发展。建立静磁场分析模型，对电机械转换器的静态特性进行分析。研究样机的试验方案，并对样机的试验数据进行比较分析。

1 工作原理及结构

动圈式双向电机械转换器工作原理如图1所示，由永久磁铁产生的磁力线从永久磁铁的北极穿过线圈回到该永久磁铁的南极，形成了闭合回路。当线圈通电时，通电线圈在磁场中受到洛伦兹力的作用，其受力大小与磁场强度和通电线圈中的电流大小有关，其受力方向与线圈中的电流方向有关。

图1 工作原理示意图

动圈式双向电机械转换器结构如图2所示，线圈和线圈支架是电机械转换器运动部分的主要部分。

图2 动圈式双向电机械转换器结构

2 转换器的设计及仿真分析

2.1 提高输出力的方法

该动圈式双向电机械转换器为轴向充磁式，其输出力为线圈在磁场受到的洛伦兹力F，其大小为F=BiLN。式中：N为线圈匝数，L为单匝线圈平均长度，i为电流强度，B为工作气隙磁密。

2.1.1 增加线圈的匝数

输出力F与线圈匝数N呈正比。可以通过增加磁场中线圈的匝数，达到提高其输出力的目的。

2.1.2 增强永久磁铁的充磁强度

永久磁铁的充磁强度与充磁的材料有关，不同的充磁材料的饱和磁密是不一样的，其允许通过的磁通量也不同。电机械转换器通常选用钕铁硼为充磁材料。永久磁铁的充磁强度还与永久磁铁的体积、外形等因素有关，所以设计时应尽量增加永久磁铁的体积。

2.1.3 增大线圈的通电电流

增大线圈的通电电流可以达到直接增加电机械转换器的输出力的效果，但是通电线圈承受高温的能力是限制通电电流的关键因素，温度过高可能使线圈的绝缘层失效，另外，永久磁铁在高温下，其特性会发生变化，性能下降。

图4是高原4月整体及各分区的感热通量与长江以南地区夏季降水的相关系数分布。高原整体(图4a)、高原E区(图4f)及高原东南部的G区(图4h)与夏季长江以南的降水具有较好的相关性关系,尤其是高原喜马拉雅地区(E区)感热通量与长江以南绝大部分地区降水的相关通过了95%置信度的显著性检验。

2.2 电机械转换器的结构设计

动圈式双向电机械转换器的结构如图2所示，采用永久磁铁和铁心组成的轴向充磁式的电机械转换器，永久磁铁的作用是产生磁场，铁心的作用是导磁。为便于线圈和线圈支架的运动，在线圈支架与外壳、永久磁铁之间保留一定的运动间隙，但应该在确保线圈和线圈支架可以自由运动的前提下，尽可能减小其运动间隙，从而减小磁阻，增加磁通，达到增加输出力的目的。此外，在确保线圈支架可以正常使用的前提下，可以有效的减小线圈支架的实体体积，以便减小电机械转换器运动部分的质量，从而提高电机械转换器的响应速度。

2.3 仿真分析

利用Ansoft Maxwell 2D软件建立静磁场分析模型，分析电机械转换器关键部件的最优尺寸，并对电机械转换器的静态特性进行仿真分析。

2.3.1 电机械转换器关键部件分析

根据图2所示的动圈式双向电机械转换器结构和上述的提高电机械转换器输出力的方法可知，增大电机械转换器的外壳尺寸，可以直接达到增加永久磁铁的半径和线圈的匝数的效果，从而有效的提高电机械转换器的输出力。然而，由于外界因素的限制，电机械转换器的外壳尺寸大小一般是确定的。此时，增大永久磁铁的半径R，就会减少线圈的匝数，进而影响到电机械转换器的输出力。相反，增加线圈的匝数就是导致永久磁铁的半径R减小，也影响电机械转换器的输出力。因此，这就要求找到永久磁铁半径R使输出力可以达到最大的永久磁铁半径R的值。

(1)F-R关系分析

利用Ansoft Maxwell 2D软件可计算出电机械转换器的输出力F与永久磁铁半径R的关系如图3所示，当永久磁铁的半径R为r4时，电机械转换器的输出力F可以达到最大。

图3 输出力F与半径R的关系

(2)F-R,S关系分析

为了更加精确的分析永久磁铁半径R和电机械转换器的输出值F的关系，利用Ansoft分别计算出永久磁铁半径R为r3，r4，r5，r6时，电机械转换器运动部分在工作行程内的输出力F和运动位移S的关系。如图4所示，在工作行程内，永久磁铁半径R为r4时的输出力一直高于其半径R为其他值时的输出力，而且永久磁铁半径R为r6时的输出力和其半径R为其他值时的输出力相差较大 。

图4 输出力F和运动位移S的关系

(3)a-R关系分析

图5 加速度a和半径R的关系

综上所述，虽然当永久磁铁半径R等于r4时，电机械转换器的响应加速度没有达到最大值，但是当永久磁铁半径R大于r4时，电机械转换器的输出力F就呈现出明显下降的趋势。因此，综合考虑上述因素，取永久磁铁半径R为r4，此时电机械转换器不仅输出值F可以达到最大，而且也有较高的响应加速度。

2.3.2 静态特性仿真研究

(1)F-J特性研究

利用Ansoft Maxwell 2D软件分析在不同的电流密度时动圈式双向电机械转换器的F-J特性曲线。如图6所示，电机械转换器的输出力和电流密度基本上呈现为线性增加的关系。由此可见，电机械转换器的工作电流直接影响着电机械转换器的输出力。

图6 输出力F和电流密度J的关系

(2)F-S特性研究

利用Ansoft Maxwell 2D软件分析动圈式双向电机械转换器在工作行程内不同的电流密度时的F-S特性曲线。如图7所示，各个电流密度的F-S特性曲线基本上呈现为水平线。虽然随着电流密度的增大，电机械转换器输出力最大值与最小值的差值和波动程度都有所增加，但是总体而言，电机械转换器的输出力稳定，没有明显的波动。

图7 输出力F和运动位移S的关系

3 试验研究

3.1 试验方案

图8是所研制样机的实物图。图9为试验研究系统，该系统由电源、双向控制器、电流表、样机、力传感器、数字显示仪和试验架台组成。该试验通过项目组所研制的双向控制器实现对样机电流大小和方向的控制，其中通过电流表显示工作电流的大小，通过试验架台实现对样机运动部分运动位移的控制，以此来测试不同电流和不同运动位移时，样机对力传感器的作用力，并通过数字显示仪呈现出力的大小。

图8 样机实物图

图9 试验研究系统

3.2 试验研究

试验前，根据公式J=ηI/S计算出所需电流的大小，式中J为电流密度，η为占空比，I为工作电流，S为线圈横截面积。

3.2.1F-J特性研究

试验时先调整试验架台，让电机械转换器的运动部分在工作行程的中心位置，然后确定电流方向，通过双向控制器调节电流大小得出一组数据。改变电流方向，通过双向控制器调节电流大小再得出一组数据，并对两种数据进行整理。通过试验数据分析样机在不同的电流密度时的F-J特性曲线。如图10所示，样机正向和反向的输出力和电流密度基本上都呈现为线性增加的关系，与仿真分析的F-J特性相近。但是在相同电流密度的条件下，样机反向时的输出力一直稍微大于样机正向时的输出力。初步分析，这种现象由机械摩擦造成，对样机的输出力影响不大。由此可以表明，样机的F-J特性良好，能够达到仿真分析的效果，在实际应用时通过调节电机械转换器的工作电流可以达到控制电机械转换器输出力的目的。

图10 输出力F和电流密度J的关系

3.2.2F-S特性研究

试验时先确定一组通电电流，然后通过控制电机械转换器使其运动部分从工作行程的初始位置运动到工作行程的终点，并记录运动过程中各运动位移处的力，得出一组数据。通过双向控制器改变电流大小，操作同上面所述，得出各组数据，并对所有数据进行整理。通过试验数据分析样机在工作行程内不同的电流密度时的F-S特性曲线。如图11所示，样机的电流密度为10 A/mm2的F-S特性曲线基本上呈现为水平线。当电流密度为0 A/mm2时，样机输出力不为零，说明样机的动子在运动时受到摩擦力。当电流密度为2 A/mm2时，样机输出力的最大值与最小值相差5.9 N，其波动幅度为27%。当电流密度为6 A/mm2时，样机输出力的最大值与最小值相差7.6 N，其波动幅度为12%。当电流密度为10 A/mm2时，样机输出力的最大值与最小值相差5.7 N，其波动幅度为5.4%。由此可见，随着电流密度的增大，样机输出力的波动幅度减小，造成这种现象的主要因素是样机的运动部分在运动过程中受到摩擦力的作用，电流密度越小，受到摩擦力的影响越大。但是当电流密度达到10 A/mm2时，样机的输出力稳定，没有明显的波动。因此，该样机适用于需要大功率驱动的电液伺服比例阀。

图11 输出力F和运动位移S的关系

4 结 语

1)通过改变永久磁铁的半径，可以直接影响到输出力和响应加速度的大小，因此确定最佳半径可以实现对动圈式双向电机械转换器输出力的提高；

2)通过仿真研究和试验研究的对比，样机的力-电特性可以达到仿真力-电特性的效果，因此通过调节工作电流可以实现输出力的控制；

3)通过仿真分析和试验研究的对比，在小功率输出时样机的力-位移特性不佳，在大功率输出时样机的力-位移特性良好，输出力稳定，没有明显波动。

[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] 许小庆，杨敬.阀用电-机械转换器动静态性能测试方法[J].微特电机，2011(10)：26-28.

[3] 王淑红，熊光煜.新型筒形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.

[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] 李其朋，方平，丁凡.新型双向比例电-机械转换器的研制[J].液压与传动，2005(12)：62-63.

[6] 苏绍禹，高红霞．永磁发电机机理设计及应用[J]．机械工业出版社，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

山西省自然科学基金项目(2015011057)；山西省自然科学基金项目(2013011023-2)

TM351

A

1004-7018(2016)09-0033-03

刘帅(1989-)，男，在读硕士，研究方向为阀用电-机械转换器。