线性力马达低功耗设计方案研究

　　0　引言

　　直动式电液伺服阀由于具有抗污染能力强、结构简单、无先导级泄漏等优点,在航空航天、舰船、武器装备等国防工业领域的电液伺服控制系统中得到广泛应用[1-2]。目前国外已成熟的直动电液伺服阀产品有Moog公司的D633、D634系列、Yuken公司的LSVG-03型、德国Bosch公司的5WRPE型及日本三菱及KYB株式会社合作开发的MK型等[3-5]。该类型的伺服阀采用一个线性力马达作为其电-机械转换器直接驱动阀芯,与传统的喷嘴挡板式二级伺服阀相比,抗污染能力强,成本低,但是功耗较大(如Moog、Yuken直动式电液伺服阀额定功耗分别为30 W、18 W),线圈温升高,且前置功率放大电路复杂。降低功耗对线性力马达的工程应用具有现实意义,特别是航空航天、深海、野外等能源短缺的作业环境,是目前高性能电-机械转换器研究的一个发展趋势[6]。为此,基于动铁式电-机械转换器的能量转换关系分析,提出了一种线性力马达低功耗设计方案及耐高压结构,并通过理论和实验研究对其方案进行了分析验证。

　　1　能量转换关系分析

　　图1为常用动铁式电-机械转换器的能量守恒和转换情况[7],衔铁运动时能量转换包括电磁转换、磁能利用和机械功利用3个效率转换过程:1)电能输入转变为电磁能、铜损和铁损,2)电磁能转变为机械功和磁能储存,3)机械功转变为负载机械功和运动动能;衔铁不动(稳态)时电能输入转变为铜损。

　　在一定的结构尺寸及同等输出能力下,降低动铁式电-机械转换器功耗地方案有:一是减小稳态时所消耗地铜损,如开关式电-机械转换器采用瞬态大电流使衔铁运动而稳态低电流或无源保持的方案实现低功耗[8-9];二是提高能量转换效率,如应用高电阻率的优质磁性材料降低铁损来提高电磁转换率,应用优质磁性材料、利用永磁机构和减小非工作气隙等方法降低稳态位置时磁能储存来提高磁能利用率,以及减小运动动能来提高机械功利用率。

　　2　低功耗设计方案及耐高压结构

　　伺服控制技术中要求阀用电-机械转换器具有线性的输出特性,为此常见动铁式线性力马达结构(如图2中Moog公司提出的一种结构)中存在2个对称的轴向非工作气隙以保证线性行程力特性,其原理类似于传统单向比例电磁铁结构中存在的轴向非工作气隙,由能量转换关系分析知轴向非工作气隙的存在增大了磁能储存,降低了磁能利用率,不利于功耗的降低,因此线性要求与低功耗设计要求之间存在矛盾。

　　由于线性力马达需要实现轴向无摩擦运动,衔铁与导套或轭铁之间径向存在很小的气隙,常见结构中该气隙作为磁路的一部分固定磁阻,对磁路不起调节作用,通常视之为径向非工作气隙。为了克服线性要求与低功耗设计要求之间的矛盾,根据动铁式线性力马达的结构特点,提出了一种低功耗设计方案即减小轴向非工作气隙的同时引入径向工作气隙。