魯立中,孟 彬,阮 健

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310032)

近來,電液伺服技術(shù)與信息控制技術(shù)的結(jié)合越來越緊密,數(shù)字閥通過直接接口計(jì)算機(jī),能夠減少外部環(huán)境的干擾,輸出量準(zhǔn)確,可靠.通過引入先進(jìn)的控制算法,全面提升電液伺服閥的動(dòng)靜態(tài)特性.電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器是數(shù)字閥的關(guān)鍵元件,其功能是將輸入的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的閥芯轉(zhuǎn)角或位移,其性能的優(yōu)劣直接影響數(shù)字閥的品質(zhì).常規(guī)的電液數(shù)字閥用電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器,為按照交流伺服方式控制的混合式步進(jìn)電機(jī)[1],為了實(shí)現(xiàn)從步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到數(shù)字閥閥芯直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換,必須在電機(jī)和液壓閥閥體之間增加絲杠或凸輪等機(jī)械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)[2],而機(jī)械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的存在不僅使得閥的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且?guī)砹艘幌盗械拈g隙、摩擦和磨損問題,導(dǎo)致控制上未知的死區(qū)和零點(diǎn)漂移,會(huì)造成液壓系統(tǒng)大的誤差[3];另外,其控制線圈與轉(zhuǎn)子工作腔之間并無(wú)密封耐高壓結(jié)構(gòu),油液一旦進(jìn)入工作腔,控制線圈將會(huì)浸入油液里而損壞,因此無(wú)法在濕式狀態(tài)下工作;再者,常規(guī)的混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為實(shí)心硅鋼片疊壓而成,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大,響應(yīng)速度較慢,從而限制了閥以至整個(gè)電液伺服系統(tǒng)的頻寬,因而對(duì)于需要快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的使用場(chǎng)合并不適用.

針對(duì)目前傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式商用步進(jìn)電機(jī)在電液控制領(lǐng)域應(yīng)用的不足,筆者提出了一種耐高壓低慣量直動(dòng)式電磁鐵新結(jié)構(gòu),并且基于有限元方法建立了數(shù)學(xué)模型,通過理論分析和仿真探討了其靜態(tài)特性.

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

低慣量耐高壓直動(dòng)式電磁鐵,主要由軛鐵部件、銜鐵部件、前后端蓋和激磁線圈組成(圖1),銜鐵部件包括銜鐵和推桿,銜鐵安裝在推桿上,推桿通過直線軸承支撐在前后端蓋中,軛鐵部件由四塊軛鐵組成,通過在隔磁環(huán)上開槽安放密封圈,可以使控制線圈不受高壓油侵蝕,實(shí)現(xiàn)在濕式環(huán)境下工作;由于電磁剛度的存在,該直動(dòng)式電磁鐵無(wú)須象傳統(tǒng)的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器那樣外加大剛度的機(jī)械彈簧,從而使數(shù)字閥結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化;為降低運(yùn)動(dòng)慣量,提升電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的動(dòng)靜態(tài)品質(zhì),銜鐵采用空心杯形狀;圓筒形結(jié)構(gòu),磁路對(duì)稱性好,容易做到基本消除徑向磁拉力,因此推力對(duì)銜鐵重量的比值得以提高;為改善工作穩(wěn)定性,永磁體采用高內(nèi)稟矯頑力N35稀土永磁材料,軸向磁化成N極和S極;軛鐵部件和銜鐵采用高磁導(dǎo)率較高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度軟磁合金1J50,推桿和前后端蓋則由非導(dǎo)磁材料制成.

圖1 直動(dòng)式電磁鐵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural drawing of direct drive electromagnet

四塊軛鐵的內(nèi)圓周面均開有軸向均勻分布的多個(gè)小齒(圖2),且四個(gè)軛鐵的齒數(shù)相同;第一軛鐵和第二軛鐵之間的距離Gt和第三軛鐵和第四軛鐵之間的距離相等,且第一軛鐵和第二軛鐵之間的距離為齒距的整數(shù)倍;永磁體的軸向尺寸St符合以下關(guān)系:

式中:bt為齒寬;λt為齒距;K 為任意正整數(shù).

而銜鐵的外圓周面上同樣開有軸向均勻分布的多個(gè)小齒,其齒距要求和軛鐵的齒距相等.由此保證第一軛鐵的齒和銜鐵的齒對(duì)齊時(shí),第三軛鐵和第四軛鐵的齒中心分別都正好處在銜鐵齒中心和槽中心之間,為電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器下一步運(yùn)動(dòng)做好位置準(zhǔn)備.四塊軛鐵組成4個(gè)磁極,與銜鐵的外圓周面共形成4個(gè)有效工作氣隙.當(dāng)控制線圈不通電時(shí),磁場(chǎng)中只有永磁體產(chǎn)生的磁通,在理想的沒有漏磁的情況下,以圖2所示位置為例,當(dāng)極3下齒對(duì)齊時(shí),銜鐵受到極1和極2的磁力相反,由于極2靠近永磁體,因此銜鐵受到向左的力大一些,但是此刻極3下的磁力提供電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器一個(gè)電磁剛度,起到了彈簧的作用,即銜鐵如果偏離了穩(wěn)定平衡點(diǎn)一個(gè)微小距離,極3下工作氣隙內(nèi)能立即提供一個(gè)與偏離方向相反的力使其保持位置不變.因此,在沒有外力的情況下,總是會(huì)有一個(gè)極上的齒和銜鐵的極對(duì)齊,并保持穩(wěn)定.

圖2 直動(dòng)式電磁鐵工作原理簡(jiǎn)圖Fig.2 Working principle of direct drive electromagnet

當(dāng)控制線圈通電時(shí),電流控制磁場(chǎng)和永磁極化磁場(chǎng)在各級(jí)下的工作氣隙中差動(dòng)疊加,根據(jù)不同的通電方式而增強(qiáng)或者減弱相應(yīng)極下的磁場(chǎng)力,從而推動(dòng)銜鐵正反雙向運(yùn)動(dòng)[4].倘若兩個(gè)控制線圈同時(shí)通入相位差為90度的正弦波電流,則可實(shí)現(xiàn)銜鐵的平滑均勻的連續(xù)運(yùn)動(dòng)[5].

2 理論分析和仿真

在靜態(tài)磁場(chǎng)情況下,麥克斯韋方程組可以簡(jiǎn)化[6]為

式中:B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度;J為電流密度.

磁矢位:B=▽×A在電流勵(lì)磁的條件下,滿足泊松方程▽2A=-μ J.

電磁場(chǎng)的分析和計(jì)算通?？梢詺w結(jié)為求微分方程的解,靜磁學(xué)問題需要確定邊界條件以使得解唯一.邊界條件即表達(dá)場(chǎng)的邊界所處的物理情況,最常用的是兩種:

(1)Dirichlet邊界條件 :φ|Γ=g(Γ),也稱為約束邊界條件或本質(zhì)邊界條件,規(guī)定了邊界處勢(shì)的分布,其中 Γ為Dirichlet邊界;g(Γ)是位置函數(shù).

圖3 有限元仿真模型Fig.3 Finite element simulation model

通過Ansoft對(duì)所建立的模型進(jìn)行求解計(jì)算,可以得到電磁鐵的磁場(chǎng)分布圖,得以進(jìn)一步分析電磁鐵的靜態(tài)特性.圖4為銜鐵處于一穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置時(shí),不同控制電流時(shí)的磁場(chǎng)分布圖.仿真參數(shù)設(shè)置如下:電磁鐵的控制線圈匝數(shù)為100.由于電磁鐵結(jié)構(gòu)是圓筒形,從圖4中可以看到,磁力線從氣隙中通過,經(jīng)永磁體、軛鐵和銜鐵構(gòu)成閉合回路,若銜鐵離開平衡位置,氣隙內(nèi)的磁場(chǎng)變化,磁通作用于銜鐵軸向合力將發(fā)生改變,推動(dòng)銜鐵向零位移動(dòng).當(dāng)控制線圈通入某一極性的控制電流后,永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)和控制線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生差動(dòng)疊加,使得銜鐵朝磁場(chǎng)增強(qiáng)的方向移動(dòng).

圖4 不同控制電流時(shí)的磁場(chǎng)分布圖Fig.4 Magnetic field distribution generated by different currents

通過改變控制線圈產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì),大小為NI,其中:N為線圈匝數(shù),I為控制電流.得到電磁鐵在不同控制條件下的力位移特性,如圖5所示.當(dāng)電磁鐵處于工作狀態(tài)時(shí),其力位移特性近似為正弦波形.從圖5中可以看到,增大控制電流或增加線圈匝數(shù)都有利于波形的改善和輸出力的增加.因此在設(shè)計(jì)過程中,控制線圈產(chǎn)生的磁通需要和永磁體的磁通進(jìn)行匹配,否則不合適的控制電流會(huì)對(duì)數(shù)字閥的伺服控制帶來困難.圖6是銜鐵在圖4位置時(shí),不同控制條件下銜鐵受到的推力,從圖6中可以看出,當(dāng)線圈匝數(shù)確定時(shí),一定范圍內(nèi),輸出推力與控制電流的大小具有較好的線性度,但是當(dāng)電流過大或控制電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)同向的時(shí)候,輸出推力將不再線性變化.

圖5 靜態(tài)力位移特性Fig.5 Static force-displacement characteristic

圖6 力—電流特性Fig.6 Force-current characteristic

3 結(jié) 論

提出了一種新型直動(dòng)式電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器,具有耐高壓,運(yùn)動(dòng)慣量小的特性,使用了高磁導(dǎo)率的鐵鎳合金和高磁能積的釹鐵硼作為軟磁材料和永磁體以增大輸出的電磁力矩.理論分析和仿真結(jié)果表明,該直動(dòng)式電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器具有線性的力位移特性和較大的輸出力,可用于直接驅(qū)動(dòng)數(shù)字閥,具有工程實(shí)用價(jià)值.

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