伺服比例阀用动圈式直线电机

　　0 引言

　　伺服比例阀具有抗污染能力强、节流损失小等优点，是电液控制技术领域重要的控制元件，也是该领域内技术竞争焦点之一。现有的伺服比例阀产品主要是由美国、德国、日本等发达国家研制生产的。当系统要求流量不大时，可采用直接驱动阀(direct drive valve，DDV)，DDV 的电–机械转换器多数采用单向或双向比例电磁铁，研究人员对其做了大量研究[1-7]，为了提高动态响应，也有的阀采用大功率动圈式直线电机(moving coil linear motor，MCLA)直接驱动[8-10]。由于采用单级直接驱动，伺服比例阀阀口压降为 0.5 MPa 时，额定流量通常在40 L/min 以下。对于控制大流量的伺服比例阀，阀心所需要的驱动力很大，需采用两级以上驱动方案，目前国内外大多采用通用的 DDV 作为大流量阀的先导级，但其有体积大、成本高，动态响应受一定限制等缺点。研究低成本、高响应大流量伺服比例阀先导级电–机械转换器，具有很好的实用价值。

　　大流量伺服比例阀的响应速度关键取决于驱动其先导级的电–机械转换器，国外研究机构为了保持其在伺服比例阀上的技术优势，除对已有产品进行完善外，不断探索采用超磁致伸缩材料(giantmagnetostrictive material ， GMM) 和 压 电 材 料(piezoelectric material, PZM)等来提高电–机械转换器的动态性能[11-12]，近年国内也开展了这方面的研究工作[13-16]。由 GMM 和 PZM 构成的电–机械转换器，动态响应速度非常快，但输出位移很小，对环境温度过于敏感，只有经过机械放大机构才能驱动液压阀，目前其还没有商业化的元件可供选用。

　　为了研制适用于大流量先导型伺服比例阀的高响应、低成本、小体积的电–机械转换器，本文提出采用 MCLA 作为大流量伺服比例阀的电–机械转换器，并对其结构、磁路特性、设计方法、测试方法以及动静态特性进行研究。

　　1 结构及磁路研究

　　图1 是本文设计的动圈式直线电机的二维结构示意图，每个工作气隙为环形柱体(内径 rg1、外径rg2、轴向长度 hg)，当线圈中有电流 i 通过时，线圈在气隙中受到洛伦兹力，其大小与电流 i 和气隙磁密 Bg的值有关，方向沿轴向。该电机有以下特点：1）电机为湿式电机，工作时液压油可将热量带走，提高线圈通电电流；2）采用轴向充磁式永久磁铁；3）动圈运动过程中，气隙的大小和形状不变，因此理论上输出力为恒值。

　　图 2 为图 1 所示电机的等效磁路图。其中，M为永久磁铁磁势；Rk为壳体磁阻；Rg为工作气隙磁阻；Rt为导磁心磁阻；Rm为永久磁铁等效内阻；Bg为工作气隙磁密(近似为常数)。该磁路由 2 个完全相同的简单回路并联而成，如果电机推力不足，可以在现有结构基础上再并联一组或多组磁路和线圈。