耐高压双向旋转比例电磁铁的静态力矩特性

　　旋转电液伺服阀和比例阀由于具有结构简单紧凑、流量分辨率高、无加速度零飘的优点,在工程中得到了广泛应用[1-2].旋转比例电磁铁是旋转电液伺服阀和比例阀的关键元件,功能是将输入的控制信号转换成相应的阀芯转角,其性能的好坏决定了液压阀以及液压系统工作特性的优劣.传统的旋转比例电磁铁(力矩马达)频响高,可实现双向的连续控制,但是由于采用耐压有限的隔压膜片将线圈腔与油腔隔离,不具有耐高压能力,并且因为负磁弹簧刚度的影响,在控制上容易产成稳定性问题,此外由于铁磁材料磁滞和饱和特性的影响,使有效输出转角较小[3].SCHULTZ公司开发的GDR系列旋转比例电磁铁具有较大的工作转角,但是由于转动部件惯量较大,频响不高,并且同样不具备耐高压特性[4].本文提出了一种新型耐高压双向旋转比例电磁铁结构,基于有限元方法建立了数学模型,通过仿真和实验探讨了其静态力矩特性.

　　1 结构及工作原理

　　耐高压双向旋转比例电磁铁结构主要由转轴、永磁体、定子极靴、扼铁、壳体以及控制线圈组成(见图1).转轴与4块条状永磁体构成衔铁转子,可在定子极靴内自由转动;定子极靴由非导磁体沿圆周方向均匀分割成4部分导磁体并焊合为一整体,内部承受压力大于21 MPa,使线圈不受高压油影响;每块永磁体与相对的定子极靴上的导磁体各形成2个工作气隙,4块永磁体共形成8个工作气隙;为获得线性控制特性,增大线性工作区间,定子极靴和永磁体的极面形状经过了优化设计:定子极靴上非导磁体呈对称的扇形,且衔铁转子上永磁体的磁极面曲率半径大于定子极靴内圆柱的曲率半径;为获得足的偏置磁通,提高工作时的稳定性,永磁体采用各向异性高内禀矫顽力NdFeB稀土永磁材料;定子极靴上导磁体、扼铁以及壳体则由磁导率高、易加工的软磁材料构成,如工业纯铁[5];前后端盖则由高强度非导磁材料制成.

　　当控制线圈不通电流时,磁场中只有永磁体产生的偏置磁通,由于结构上的对称性,8个工作气隙内的场强相同,衔铁转子保持在中位静止不动(见图1);控制线圈通入某一极性的电流后,所产生的控制磁通与偏置磁通差动叠加,使每块永磁体所对应2个工作气隙的场强不再保持平衡,一侧增大,另一侧减弱,衔铁转子将向场强增大的一方转动;同理,当控制线圈通入相反极性的电流时,衔铁转子将向反方向转动[6-7].

　　2 理论分析

　　2.1 数学模型

　　在静态磁场情况下,麦克斯韦方程可简化为

　　式中:H为磁场强度,J为电流密度,B为磁感应强度.

　　连续性方程为