宋宗南，許小慶，高 宇

(太原理工大學，山西太原030024)

0 引 言

比例閥廣泛應用于工程技術領域，具有高頻響、高精度的特點。電機械轉換器作為其重要元件，性能優(yōu)劣對比例閥甚至液壓控制系統(tǒng)有很大影響［1］。當系統(tǒng)流量要求不大時，可采用電機械轉換器直接驅動閥芯;當系統(tǒng)要求大流量時，則需采用兩級以上驅動方案。目前電機械轉換器結構主要基于電磁原理，雖然基于新材料的伺服比例閥用電機械轉換器在國內外取得了一定的發(fā)展［2－3］，但是由于輸出位移小、造價高，目前處于研究之中，還沒有在工程技術中得到廣泛應用。

因此研究大流量伺服比例閥先導級用的低成本、高響應電機械轉換器，具有一定實用價值。本文提出采用動磁式電機械轉換器(以下簡稱MMEM)作為大流量伺服比例閥的先導級的驅動部分進行研究和分析，并對其特性進行初步分析。

1 結構與工作原理

MMEM 的二維結構如圖1 所示。

圖1 MMEM 二維結構示意圖

MMEM 主要包括動子和定子兩大部分。動子主要包括輸出軸、永磁體、導磁心，定子主要包括線圈、線圈支架、殼體。為防止漏磁，前后端蓋、輸出桿均采用非導磁材料如不銹鋼，支架采用非導磁性材料;導磁心與外殼采用電工純鐵;永磁體一般采用釹鐵硼作為充磁材料，軸向充磁。

2 磁路分析

MMEM 的磁路部分包括永磁體、導磁心、氣隙、線圈、外殼。圖2 為MMEM 的等效磁路圖。其中Rg為工作氣隙磁阻，Rk為殼體等效磁阻，Rt為導磁心等效磁阻，M 為永磁體磁勢。

圖2 動磁式直線電機等效磁路

進行磁路分析時，做以下假設:

1)工作氣隙環(huán)形空間高度不變，導磁率為真空導磁率μ0，當氣隙厚度不變時，工作氣隙中的磁場可以認為均勻磁場。

2)相對于工作氣隙Rg，殼體等效磁阻Rk和導磁心等效磁阻Rt都很小，因此在簡化分析過程中可忽略不計。

當氣隙圓柱面半徑R 在R1和R2之間變化時，其柱面導磁面積:

磁阻微元:

工作氣隙的磁阻［4］:

磁路磁通:

則任意工作柱面磁密:

在實際工作中，R1和R2相差不大，工作氣隙內的磁場可以近似為勻強磁場，輸出力［5］:

3 MMEM 設計原則

分析式(3)～式(6)可以得出，提高電機械轉換器輸出力一般可采用以下幾種方法:

1)增大工作電流

因導線絕緣層工作環(huán)境溫度不能過高，電機械轉換器的工作電流大小受到了限制;此外永磁體在高溫情況下容易發(fā)生退磁現(xiàn)象，因此線圈內工作溫度不能過高。在圖1 結構的電機械轉換器工作過程中低壓油可帶走線圈通電時產生的部分熱量，增強導線通電能力，從而提高其輸出力值。

2)增大永磁體磁勢M

永磁材料是決定永磁體充磁強度的主要因素，當采用高磁能積磁性材料釹鐵硼時，其飽和磁密B為1．05～1．3 T［6］。此外，與永磁體的形狀、體積也有一定關系。

3)增大氣隙磁場中工作線圈體積

提高氣隙磁場中通電導線的總體長度，即提高工作線圈的體積，提高通電線圈對磁能的利用率，從而可以提高力的輸出值。

對MMEM 進行設計時，應遵守以上原則。

3.1 動磁式結構設計

圖3 為電機械轉換器運動過程中運動間隙示意圖，其中d1為外殼與支架間間隙;d2為導磁心與支架間間隙。

圖3 運動間隙分析

如果將電機械轉換器設計為動圈式，則d1和d2均為運動間隙，需要一定的值來保證其正常相對運動。圖1 結構所設計的電機械轉換器為動磁式，外殼與支架間無相對運動，因此可以減小d1值，使其只需滿足裝配要求即可。為了保證電機械轉換器動子自由運動，d2值不宜過小。

d1值減小，R2值也隨之減小。由式(5)可知，減小R2，可以增大工作柱面磁密B，從而提高力的輸出值。

此外，由于動磁式設計中通電線圈無低壓油浸泡，因此解決了導線引出口處的密封問題，提高了工藝性，便于安裝拆卸。

3.2 異形導磁心結構設計

永磁體磁極表面的磁感應強度除與構成永磁體的材料、成型工藝，充磁電流有關外，還與永磁體的幾何形狀、磁極面積、兩極面積之間的距離有關。永磁體在極面面積不變的情況下隨永磁體長度與磁極表面磁感應強度的變化曲線［7］，如圖4 所示。

圖4 B－b 曲線

根據文獻［7］介紹，當圓柱永磁體兩極面距離b與其直徑2R1相等時，是永磁體比較科學合理的幾何形狀。

圖1 的結構磁路中，在不考慮漏磁的情況下，通過永磁體極面的磁通量等于通過導磁心柱面的磁通量。即:

式中:B1為永磁體極面磁感應強度;B2為導磁心柱面磁感應強度。因此導磁心柱面寬度:

MMEM 的響應速度與其動子質量大小有密切關系。圖5 為FEM 分析MMEM 的磁密分布圖。

圖5 MMEM 磁密分布

從圖5(a)部分可以看出，導磁心三角形區(qū)域顯深色，磁密很小，未達到飽和狀態(tài)，因此可以將此區(qū)域導磁心去除，以減輕運動部件的質量，提高動子響應速度。優(yōu)化后，如圖5(b)部分，導磁心只有很小部分區(qū)域磁密接近飽和狀態(tài)，不影響電機械轉換器磁路。

3.3 增大磁場中通電線圈體積

當MMEM 的工作行程為L 時，為了保證MMEM的F－x 曲線特性平穩(wěn)無波動并提高輸出力值，因此應該設計線圈槽寬度C≥t + 2L，使動子在運動過程中，工作氣隙盡可能多的充滿通電線圈。分析圖5 可知，這一設計結果能夠提高工作線圈對磁能的利用率，達到提高MMEM 的輸出力值和減小輸出力波動性的目的。

3.4 確定永磁體半徑

在液壓系統(tǒng)實際工作中，閥用電機械轉換器受到其工作空間限制，因此體積不宜過大。

參照圖1 結構的電機械轉換器，當其半徑R3確定時，輸出力值會隨著永磁體半徑變化而上下波動，即當永磁體半徑R1變大時，雖然可以增大磁勢M，增大工作氣隙磁密B，但是線圈厚度d 就會減小，影響電機械轉換器的輸出力值。因此，當永磁體半徑尺寸達到某一確定值時，電機械轉換器靜態(tài)輸出值可以達到最大。

圖6 是利用FEM 計算電機械轉換器的輸出力與永磁體半徑的關系，當永磁體半徑為11．3 mm時，電機械轉換器的輸出值F 可以達到最大。

圖6 F－R 曲線

4 特性分析

4.1 靜態(tài)特性F－I

圖7 為利用FEM 分析圖1 結構電機械轉換器在不同電流密度時F－I 特性曲線。

圖7 F－I 曲線

從圖7 可知，MMEM 在不同電流密度下的輸出力值點基本排列在一條直線上，具有很高的線性度。實際工作需求時，可通過調節(jié)工作電流大小和方向，達到控制電機械轉換器輸出的目的。

4.2 靜態(tài)特性F－X

在工作行程內，電流一定時，輸出力的波動性是衡量其性能的重要指標。圖8 為利用FEM 分析圖1結構電機械轉換器在不同電流下的F－X 特性曲線。

圖8 F－X 曲線

分析圖8，當電流密度為6 A/mm2時，在工作行程內，輸出力最大值與最小值之差為1．6 N，波動范圍不大于輸出力值的5%，說明電機械轉換器輸出力平穩(wěn)，無明顯波動，可以滿足實際工作中大流量伺服比例閥的先導級驅動需要。

5 結 語

(1)通過采用動磁式結構，減小外殼和線圈支架間隙，可提高工作氣隙磁密，還可提高制造工藝性，便于安裝拆卸;

(2)通過采用異形導磁心結構，在不影響磁路的情況下，減小了動子質量，可提高反應速度;

(3)通過增大工作氣隙內通電導線圈體積，可提高力的輸出值，減小力的波動性;

(4)通過合理分配永磁體直徑和導線圈厚度比例，可提高通電線圈對永磁體的磁能利用率和力的輸出值。

［1］ 王淑紅，肖旭亮，熊光熠．直流恒力電磁鐵特性［J］．機械工程學報，2008，44(2):244－247．

［2］ 夏春林，丁凡，路甬祥．超磁致伸縮材料驅動器實驗研究［J］．電工技術學報，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］ 許小慶，權龍，王旭平．伺服比例閥用動圈式直線電機［J］．中國電機工程學報，2010，30(9):92－96．

［5］ 王淑紅，熊光煜．新型筒型永磁動圈式直線電動機氣隙磁場解析分析［J］．電工技術學報，2007，22(5):40－44．

［6］ 焦留成，禹沛，禹涓．稀土永磁材料及其在直線電機中的應用展望［J］．微特電機，1997，25(2):32－34．

［7］ 蘇紹禹，高紅霞．永磁發(fā)電機機理設計及應用［J］．北京:機械工業(yè)出版社，2012，4(1):21－23．