低惯量耐高压直动式电磁铁的静态特性仿真分析

　　近来,电液伺服技术与信息控制技术的结合越来越紧密,数字阀通过直接接口计算机,能够减少外部环境的干扰,输出量准确,可靠.通过引入先进的控制算法,全面提升电液伺服阀的动静态特性.电-机械转换器是数字阀的关键元件,其功能是将输入的控制信号转换成相应的阀芯转角或位移,其性能的优劣直接影响数字阀的品质.常规的电液数字阀用电-机械转换器,为按照交流伺服方式控制的混合式步进电机[1],为了实现从步进电机的旋转运动到数字阀阀芯直线运动的转换,必须在电机和液压阀阀体之间增加丝杠或凸轮等机械转换环节[2],而机械转换环节的存在不仅使得阀的结构复杂,而且带来了一系列的间隙、摩擦和磨损问题,导致控制上未知的死区和零点漂移,会造成液压系统大的误差[3];另外,其控制线圈与转子工作腔之间并无密封耐高压结构,油液一旦进入工作腔,控制线圈将会浸入油液里而损坏,因此无法在湿式状态下工作;再者,常规的混合式步进电机的转子为实心硅钢片叠压而成,其转动惯量大,响应速度较慢,从而限制了阀以至整个电液伺服系统的频宽,因而对于需要快速动态响应的使用场合并不适用.

　　针对目前传统旋转式商用步进电机在电液控制领域应用的不足,笔者提出了一种耐高压低惯量直动式电磁铁新结构,并且基于有限元方法建立了数学模型,通过理论分析和仿真探讨了其静态特性.

　　1 结构及工作原理

　　低惯量耐高压直动式电磁铁,主要由轭铁部件、衔铁部件、前后端盖和激磁线圈组成(图1),衔铁部件包括衔铁和推杆,衔铁安装在推杆上,推杆通过直线轴承支撑在前后端盖中,轭铁部件由四块轭铁组成,通过在隔磁环上开槽安放密封圈,可以使控制线圈不受高压油侵蚀,实现在湿式环境下工作;由于电磁刚度的存在,该直动式电磁铁无须象传统的电-机械转换器那样外加大刚度的机械弹簧,从而使数字阀结构得以简化;为降低运动惯量,提升电-机械转换器的动静态品质,衔铁采用空心杯形状;圆筒形结构,磁路对称性好,容易做到基本消除径向磁拉力,因此推力对衔铁重量的比值得以提高;为改善工作稳定性,永磁体采用高内禀矫顽力N35稀土永磁材料,轴向磁化成N极和S极;轭铁部件和衔铁采用高磁导率较高饱和磁感应强度软磁合金1J50,推杆和前后端盖则由非导磁材料制成.

　　四块轭铁的内圆周面均开有轴向均匀分布的多个小齿(图2),且四个轭铁的齿数相同;第一轭铁和第二轭铁之间的距离Gt和第三轭铁和第四轭铁之间的距离相等,且第一轭铁和第二轭铁之间的距离为齿距的整数倍;永磁体的轴向尺寸St符合以下关系: