2-D数字阀用低惯量旋转电磁铁及其矩角特性研究

　　引言

　　近年来，利用伺服螺旋机构原理工作的2-D数字阀因具有结构简单、响应速度快、精度高、抗污染能力强等优点，而在金属材料试验机、地震模拟震动台以及相关航空航天领域得到了广泛应用^[1～3]。

　　电-机械转换器作为电液比例/伺服阀的关键部件，其功能是将输入电信号转换成相应的输出力/力矩以驱动阀芯作相应的滑动或转动，因而在性能方面要求其在保证一定输出力/力矩的同时，尽量具有较高的动态响应^[4～7]。传统的2-D数字阀的电-机械转换器一般采用商用混合式步进电动机，其转子采用实心硅钢片叠压而成，磁导率低、转动惯量大，导致电-机械转换器动态响应低，从而降低了阀以至整个电液伺服系统的频宽^[8]，限制了对于需要高动态响应的场合的应用。为此本文提出一种空心杯转子结构的低惯量旋转电磁铁，制作物理样机，并基于磁路解析和磁场有限元模拟的方式建立数学模型，通过仿真和试验探讨其静态矩角特性。

　　1 结构及工作原理

　　旋转电磁铁主要由转轴、转子、定子、壳体、永磁体和隔磁环等组成，如图1、2所示。转子部件主要由两段铁心Ⅰ和Ⅱ以及夹在其中间的永磁体构成，永磁体沿轴向充磁，Ⅰ、Ⅱ两段铁心上都均匀分布50 个小齿，两段铁心上的小齿相互错位半个齿; 定子上均匀分布有8个大齿，每个大齿上均匀分布5 个小齿。大齿的根部安装有线圈并以串联或并联的方式连接形成两相绕组，即定子大齿1、3、5、7 为一相绕组，定子大齿2、4、6、8为另一相绕组。

　　为减小转动惯量、获得高动态响应，两段铁心被做成空心杯的形式分别安置在永磁体的两侧。为了提高工作气隙下的磁通密度，增大电磁铁的输出力矩，定、转子材料采用了高磁导率的铁镍合金1J50，而永磁体选用高磁能积的稀土永磁材料钕铁硼N45。为了得到高磁导率，1J50必须要进行严格的高温退火，且退火后不能再次机械加工，以免磁性能恶化。

　　为兼顾高定位精度与高动态响应，对旋转电磁铁采用连续跟踪控制的方法^[9]，如图3所示。工作时在电磁铁两相绕组中通入相位差为90°的正弦波电流，便会形成圆形的旋转磁场矢量，在工作过程中电磁铁转子的角位移θ、旋转磁场的角位移θ_m和旋转磁场角位移的控制信号θmc保持着跟踪关系。旋转磁场的角位移θ_m发生变化，将对转子产生一个电磁力矩驱动其转到由转子齿和定子齿的相对位置所确定的最大磁导位置。因而连续控制旋转磁场的角位移θm便可实现对转子角位移θ的连续控制。