采用磁流体的伺服阀力矩马达二维有限元分析

　　伺服阀是液压控制系统中必不可少的元件,伺服阀性能的好坏对液压控制系统性能的影响是至关重要的.力矩马达作为伺服阀的电-机械转换装置,对伺服阀的性能影响也是非常重要的.磁流体是一种在母液中添加了铁磁性物质的悬浊液,在外加磁场作用下,磁流体能够产生较大的磁化强度,因而目前被广泛地应用于磁流体密封、减震器和阻尼器、医药、稀有金属分选等领域[1-8].

　　由于磁流体具有较高的导磁率和在磁场作用下能够产生较大的磁化强度的特性,将磁流体添加于伺服阀力矩马达的工作间隙,可实现提高磁路效率、增加力矩马达输出力矩以及改善力矩马达动态特性的目的.

　　伺服阀力矩马达是永久磁铁和电磁铁相互作用的极化电磁机构,工作原理及结构较为复杂,因而只有采用磁场有限元分析方法,才能得到较为精确的分析结果.本文介绍了采用磁流体的力矩马达的结构及工作原理,用二维磁场有限元分析方法对力矩马达进行了磁场分析及力矩特性的计算,给出了分析结果、输出力矩特性和力矩马达磁场分析的二维近似方法.

　　1　工作原理

　　添加磁流体的伺服阀力矩马达结构如图1所示,力矩马达由铁心、衔铁、线圈、位于铁心两侧的永久磁铁及添加于气隙中的磁流体组成.

　　当线圈不通电时,衔铁在永久磁铁产生的磁场作用下处于中位,当线圈通电时,衔铁在电磁和永久磁铁磁场的相互作用下产生输出力矩.使衔铁发生偏转,从而带动挡板移动,使挡板与两喷嘴之间的间距发生变化,一侧喷嘴与挡板间距增大,一侧减小,因而,一侧喷嘴中压力减小,另一侧压力增大.从而驱动阀芯动作,使伺服阀产生一定的阀口开度.

　　当线圈不通电时,填充于力矩马达工作气隙中的磁流体,在磁钢产生的磁场作用下,被吸附于工作气隙中,并产生一定的磁化强度.当线圈通电时,在磁钢和线圈共同产生的磁场作用下,磁流体将产生不同的磁化强度.由于磁流体的导磁率大于空气的导磁率,因而工作气隙中的磁场强度将增强,从而使磁路的磁效率增加[9].

　　2　力矩马达参数

　　伺服阀力矩马达的结构参数如表1所示,当采用二维有限元分析方法进行分析时,需要把三维的力矩马达结构转化为二维的结构,因而将对力马达的结构参数进行调整.

　　3　经验计算方法

　　力矩马达的力矩特性可用磁场分析的经验计算方法进行计算,该方法计算简单,但因为忽略了漏磁及铁心磁阻等的影响,因而计算误差较大.力矩马达力矩的经验计算公式可表示为

　　式中:Nc为一个控制线圈的匝数;