阀用动磁式电机械转换器的仿真与静态试验

陈志鹏，许小庆，王旭平，郭泽峰

（太原理工大学机械与运载工程学院，山西 太原 030024）

1 引言

电液比例阀控制精度高、抗污染能力强的优点使其应用领域范围日益拓宽［1］，它利用电机械转换器通过对输入的模拟电信号调节和转换来实现对液压阀压力、流量的控制［2］。电机械转换器的结构在很大程度上决定了电液比例阀的输出特性［3］。

文献［4］对影响行程力的几个关键结构尺寸（导套厚度和衔铁长度等）分别进行了分析，优化了比例电磁铁的结构。文献［5］设计了一种新型旋转比例电-机械转换器并提高了其静态性能。文献［6］通过提出了一种电励磁的磁柱式新型二维阀用电-机械转换器解决了永磁体高温退磁的可靠性问题。

这里提出一种动磁式阀用电机械转换器的结构方案。利用Maxwell软件对动磁式电机转换器进行建模仿真研究，分析其输出特性，设计并制造样机，然后进行了F-i和F-X静态特性试验。

2 结构与工作原理

动磁式电机械转换器主要包括定子和动子。其中定子包括端盖、线圈、线圈支架和壳体；动子包括输出轴、铁心和永久磁体。各构件材料的选用，如表1所示。

表1 材料的选用Tab.1 Material Selection

动圈式电机械转换器的结构图，如图1 所示。其动子为线圈，频繁动作会导致线圈扯断。这里提出的动磁式电机械转换器的结构避免了动圈式电机械转换器的缺点而且结构简单、响应速度快，如图2所示。动磁式电机械转换器的原理：当线圈通电时，线圈在动子和支架之间的环形气隙中受到轴向洛仑兹力，当线圈被固定后，动子受到相反方向作用力并通过输出轴输出力。

图1 动圈式电机械转换器结构Fig.1 Moving Coil Electromechanical Converter Structure

图2 动磁式电机械转换器结构Fig.2 Moving Magnetic Electromechanical Converter Structure

3 磁路分析

该动磁式电机械转换器的等效磁路图，如图3所示。图中：M—永久磁铁磁势；Rk—壳体等效磁阻；Rg—工作气隙等效磁阻；Rt—铁心等效磁阻；Rm—永久磁铁等效内阻。

图3 电机械转换器等效磁路图Fig.3 Electromechanical Converter Equivalent Magnetic Circuit Diagram

在忽略漏磁的前提下，根据基尔霍夫磁路第二定律有：

式中：F1—永久磁铁产生的磁势，A；

F2—线圈内电流产生的磁势，A；

Φ—永久磁铁产生的总磁通，Wb；

Rm—永久磁铁等效内阻，A∕Wb；

Rt—铁心等效磁阻，A∕Wb；

Rk—壳体等效磁阻，A∕Wb；

Rg—工作气隙等效磁阻，A∕Wb。

式中：δ—工作气隙长度，m；μ0—真空磁导率，H∕m；Sδ—气隙截面积，m2；r2—线圈支架外径，m；r1—永久磁铁外径，m；lm—永久磁铁的轴向长度，m；μm—永久磁铁的磁导率，H∕m；Sm—永久磁铁截面积，m2；r3—永久磁体内径，m。

同样在忽略漏磁的前提下，而且忽略掉Rk、Rt、Rm则：

若工作气隙的柱面半径为r（介于r1和r2之间），则该柱面侧面积：

磁阻微元：

工作气隙磁阻［7］：

磁通：

磁密：

输出力：

式中：B—磁场强度；

I—电流强度；

L—单匝线圈的长度；

N—线圈匝数。

实际结构中r1和r2为固定尺寸，输出力的大小和方向通过电流的大小和方向来调控。

4 设计思路

输出力是衡量一个电机械转换器性能的重要标准，根据公式F=BILN应尽可能在设计的尺寸内增大输出力。

（2）在进行避雷保护线设置时，避雷保护性的高度必须要控制在规范设计要求内，以将比例线的防雷保护作用充分进行发挥。避雷保护线确定后，需要对避雷线的搭接长度进行相应确定，且焊接避雷线时需要按照技术要求进行焊接，防止出现虚焊与脱落的情况。对于各个电气设备则需要做好接地处理操作，且需要对配电箱的接地位置进行明确标注，以避免出现各种不规范误触操作。

主要方法有：

（1）可以通过增加永久磁铁的充磁强度来增大输出力。材料的选择将直接影响到永久磁体的充磁强度，因为不同材料的饱和磁密是不一样的［8］。

（2）增大通入线圈的电流可以直接增大输出力，但过大的电流会导致线圈温度升高从而使线圈绝缘层融化，因此要将电流限制在一个特定的范围内取最大［9］。

（3）在设计时增大线圈匝数也是提高输出力的一个方法。同时还要注意在绕制线圈时线圈的槽满率不能过低，线圈的槽满率一般保持在（75～80）%之间［10］。

5 软件仿真结果分析

Ansys Maxwell 是常用的电机磁场仿真软件，它能够根据所设定的参数对电机的动、静态特性进行仿真，为我们结构优化提供了很大的方便。

5.1 仿真研究模型

因为动磁式电机械转换器是对称结构，所以maxwell软件里只建一半的模型。边界条件的选用分别是：贴近坐标轴的边选奇对称边界，其余三边选气球边界；网格划分按系统默认，误差不大于0.1%。仿真后得出磁力线走向，如图4所示。磁场强度分布，如图5所示。从图4可以看出磁力线回路为：永久磁铁N 极-铁心-壳体-铁心-永久磁铁S极，磁感线在铁心和壳体中最为密集；从图5可以看出电机械转换器各构件磁场强度分布对称。工业纯铁的磁感应强度为（1.2～1.8）T，壳体的磁感应强度最高为1.6T，另外根据磁场的尖角效应，铁心的棱角处要比其他部分磁感应强度大，可以达到1.8T，壳体和铁心两者均未超过工业纯铁的饱和磁感应强度。

图4 磁力线图 Fig.4 Magnetic Field Diagram

图5 磁场强度分布图Fig.5 Magnetic Field Strength Map

5.2 静态特性分析

动磁式电机械转换器的静态特性分析包括F-i和F-X特性的分析，为了方便对照比较将两个特性曲线图和样机试验结果图放在一起，如图9、图10所示。

5.3 动态特性分析

对电机械转换器进行动态仿真有助于对其工作过程进行模拟。在求解时选择瞬态求解器，具体瞬态设置参数，如表2所示。仿真结果，如图6所示。

表2 Maxwell模型瞬态分析参数Tab.2 Maxwell Model Transient Analysis Parameters

仿真结果分析：

在（0～5）ms内，电流在线圈电感的作用下以指数的形式从0开始上升，动子也开始运动，其速度从0增到560mm∕s。

在（5～10）ms内，动子速度继续增大达到最大速度760mm∕s，线圈的电流开始减小，初步分析电流减小的原因是（0～5）ms里迅速增大的电流使线圈产生感应电动势，随着感应电动势的增大线圈中产生了逆向电流并削减了一部分上升电流，所以这段时间内电流会减小。

10ms后，动子由于到达行程末端速度减为0，电流则随着感应电动势的减小重新上升直至稳定在2A。

空载状态下，电机械转换器整个响应过程约为10ms，动态响应迅速，可以满足电液比例阀的驱动要求。

6 样机和性能测试结果

6.1 样机及试验原理

在Maxwell的仿真以及相关经验结构设计的基础上，设计并制造了样机。并利用测试平台进行试验，得出该样机行程为±2.5mm，电流密度为6.21A∕mm²时可以输出31N的力。试验测试系统图，如图7所示。试验测试系统实物图，如图8所示。

图7 电机械转换器试验测试系统图Fig.7 Electromechanical Converter Test and Test System Diagram

图8 试验测试系统实物图Fig.8 Test Test System Physical Map

电机械转换器的试验原理图，如图7所示。主要部分功能如下：（1）手轮：通过调节力传感器支架的位置来调节力传感器的位置实现初始位置调零。（2）力传感器：对电机械转换器的输出力进行测量。（3）力显示器：将力传感器测量的输出力数值直观显示。（4）电流表：直观读出电流的大小。（5）电源：为整套测试系统提供电流。

6.2 样机的性能实验结果

6.2.1 静态特性F-i

线圈位移2.5mm时的F-i特性曲线，如图9所示。从图中可以看出F-i的线性度非常好，Maxwell软件的仿真数据和实际测试的数据基本一样，非线性误差小于1%。其他位置的F-i图与此图也基本一致，因此没有给出。

图9 F-i试验特性曲线Fig.9 F-iTest Characteristic Curve

6.2.2 静态特性F-X

不同电流密度下的F-X关系图，如图10所示。从图10中可以看出不同电密下样机的试验结果和仿真结果基本一致；试验结果有小幅度的滞环原因是摩擦阻力；不同电密下不同位移的力基本保持水平说明输出力恒定。用方差作为输出力数据波动大小的标准，如表3所示。从表3中数据可以看出随着电流密度的增大电机械转换器的输出力更加平稳，主要原因是随着电流密度的增大电机械转换器的动子受到摩擦力的影响变小，因此该电机械转换器适合用大功率来驱动。

表3 不同电密下输出力的方差Tab.3 Variance of Output Force Under Different Electric Density

图10 F-X试验特性曲线Fig.10 F-XTest Characteristic Curve

7 结论

（1）采用直线轴承对输出轴径向定位，避免了径向吸力导致的动子卡死问题。（2）动磁式电机械转换器的动态响应时间约10ms，动态响应迅速，可以满足电液比例阀的驱动要求。（3）根据试验测得的静特性F-i图，动磁式电机械转换器的非线性误差小于1%。（4）根据试验测得的静特性F-X图，动磁式电机械转换器具有水平的F-X静特性且适合用大功率驱动。（5）通过对仿真模拟和试验测试的结果进行研究，验证了磁路分析的可行性。