比例電磁閥用直線電機(jī)幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)

1、比例電磁閥用直線電機(jī)幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)收稿日期:2005-06-20王愛樂,卜慶華(太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,太原030024摘要:比例電磁閥是液壓系統(tǒng)中的一個(gè)重要控制元件。液壓系統(tǒng)的運(yùn)行特性很大程度上取決于比例電磁閥電磁執(zhí)行器的特性。因此如何提高比例電磁閥執(zhí)行器的性能指標(biāo)是該領(lǐng)域中的一個(gè)重大課題。作為電磁閥執(zhí)行元件的永磁動(dòng)圈式直線電機(jī)設(shè)計(jì)合理時(shí),其輸出的電磁力與線圈中的電流為正比關(guān)系,因此容易被控制,應(yīng)用場(chǎng)合也較多。文中對(duì)一種永磁動(dòng)圈式直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本電磁力理論做了研究,并進(jìn)行了電機(jī)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞:直線電動(dòng)機(jī);永磁動(dòng)圈;比例電磁閥;參數(shù);設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):TM359.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文

2、章編號(hào):100126848(20060120024204D esign of Key Param eters of Proportiona l Electromagnetic Va lve on L i near M otorW AN G A i2le,BU Q ing2hua(T aiyuan U niversity of T echno logy,T aiyuan030024,Ch inaABSTRACT:P ropo rti onal electrom agnetic valve is an i m po rtant elem ent in hydraulic p ressure sys

3、tem s.T he operati on behavi o r of a hydraulic system m ainly depends on the characteristic of the electrom agnetic actuato r used. T herefo re,how to i m p rove p roperty of the actuato r(driverp ropo rti onal valve,w hen designed w ell,Per m anent m agnetic moving w inding liner mo to r can offer

4、 it can be contro lled easily and can be used in m any situati ons.A k ind of per m anent m agnetic moving w inding liner mo to r is designed in th is thesis.KEY WOR D S:L inear mo to r;Per m anent moving w inding;P ropo rti onal electrom agnetic;Param eter;D esign0引言比例電磁閥是利用比例電磁鐵輸出的電磁力,使液流壓力和流量連續(xù)地、

5、按比例跟隨控制信號(hào)而變化。其控制性能優(yōu)于開關(guān)式控制,能將輸入的電信號(hào)(電流按比例轉(zhuǎn)換成機(jī)械量(力或位移輸出。與旋轉(zhuǎn)式比例電磁閥相比,直線式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制和應(yīng)用更加方便。1永磁直線電機(jī)的設(shè)計(jì)概述永磁直線電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是確定主要尺寸,選擇永磁材料和動(dòng)子磁路結(jié)構(gòu),估算永磁體尺寸,設(shè)計(jì)定子、動(dòng)子結(jié)構(gòu)和選擇繞組數(shù)據(jù)。永磁直線電機(jī)的設(shè)計(jì)必須滿足特定的運(yùn)行準(zhǔn)則,主要是力和振幅兩大指標(biāo),同時(shí)要電機(jī)體積小,效率最高。為獲得較大的行程,在設(shè)計(jì)中須考慮采用較大體積的永磁體、較小的線圈自感和較小的動(dòng)子質(zhì)量,同時(shí)要選擇合適的往復(fù)頻率。頻率較高時(shí),意味著電機(jī)要在較短的時(shí)間內(nèi)走完行程。在一個(gè)行程要經(jīng)歷加速和減速的過

6、程,也就是要起動(dòng)一次和制動(dòng)一次。往復(fù)頻率越高,電動(dòng)機(jī)的加速度就越大,加速度所對(duì)應(yīng)的推力就越大。推力的提高導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的尺寸加大,而其質(zhì)量加大又引起加速度所對(duì)應(yīng)的推力進(jìn)一步提高,有時(shí)產(chǎn)生惡性循環(huán),為此在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí),應(yīng)當(dāng)充分重視對(duì)加速度的控制。根據(jù)合適的加速度計(jì)算出走完行程所需時(shí)間,由此決定電機(jī)的往返頻率。在整個(gè)設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡量減小運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量,以便減小加速度所對(duì)應(yīng)的推力。永磁直線電機(jī)要求高效率,且工作可靠,在滿足性能和造價(jià)的前提下,使體積和損耗最小。2直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)及電磁力作為應(yīng)用于電液控制系統(tǒng)的比例電磁閥,電磁鐵本身需要有好的封閉性,所以應(yīng)該用圓筒型永磁動(dòng)圈式直線電機(jī)。圓筒型永磁動(dòng)圈式直線電機(jī)的

7、基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用洛倫茲力公式,圓筒型永磁動(dòng)圈式直線電機(jī)每極下產(chǎn)生的電磁推力為:F=B g N L av I(142 圖1動(dòng)圈式永磁直線電機(jī)示意圖式中,B g 為氣隙徑向磁密;I 為線圈中電流,I =J S d ;N 為匝數(shù);L av 為磁場(chǎng)作用范圍內(nèi)線圈每匝的平均長(zhǎng)度,L av =(R p +R 1。V d =N S d L av (2式中,S d 為導(dǎo)線的橫截面積;J 為電流密度;V d 為線圈的體積?？梢詫?dǎo)出:F =B g JVd(3在電流恒定時(shí),為了獲得直線推力特性,V d 應(yīng)該在運(yùn)動(dòng)過程中保持處于相同的B g 內(nèi)。如果采用多對(duì)極時(shí),直線電機(jī)的電磁力公式為:F =2PB g JV

8、 d (4式中,P 為極對(duì)數(shù)。從式(4中可以看到:要使圓筒型永磁動(dòng)圈式直線電機(jī)輸出最大的電磁力,應(yīng)該選擇高的B g ,J ,V d 。3氣隙磁密分析在一對(duì)極下,理想的氣隙磁密的波形可近似為一個(gè)梯形波,如圖2所示。 圖2理想的氣隙磁密波形 取=p +B ,線圈處于平衡位置時(shí)(x =0,每極下的線圈應(yīng)當(dāng)處于氣隙磁密的平坦部分中央,并且每極下線圈的軸向長(zhǎng)度加上最大位移應(yīng)等于氣隙磁密的平坦部分長(zhǎng)度。所以氣隙磁密平坦部分越寬,動(dòng)圈的最大位移量越小時(shí),線圈長(zhǎng)度c 才能越大。為了考察圓筒型永磁動(dòng)圈直線電機(jī)中的氣隙磁密分布,采用有限元分析。計(jì)算中導(dǎo)磁材料為線性材料,不考慮磁飽和現(xiàn)象,磁導(dǎo)率0為2000,為常數(shù)

9、,永磁體的剩磁B r =1.0(T 。圖3為氣隙磁場(chǎng)計(jì)算模型。圖3氣隙磁場(chǎng)計(jì)算模型令=p ,=,c =h m ,電機(jī)氣隙中間和鐵軛中磁密的分布曲線如圖4至圖6所示。由此可得出下述結(jié)論。1氣隙磁密幅值與B r 成正比,并且與參數(shù)c 有關(guān)系,c =h m<1,c 越大則磁密的幅值越大。圖4對(duì)氣隙和鐵軛中磁密曲線的影響(=10,c =0.5,h m=20圖5對(duì)氣隙和鐵軛中磁密曲線的影響(c =0.5,=0.9,h m=20圖6參數(shù)c 對(duì)鐵軛中磁密曲線的影響522當(dāng)=越大時(shí),曲線的平坦部分越寬,一般可取>10為好。3越大,曲線越平坦,一般可取=0.9。4電機(jī)磁路設(shè)計(jì) 4.1永磁體的結(jié)構(gòu)從設(shè)

10、計(jì)方面的考慮,除了前面所講的B g 和J 的選取之外,還要對(duì)電機(jī)的體積和具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),比如永磁體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。永磁體的分布要根據(jù)所需要的體積大小,以及導(dǎo)磁材料的最大允許磁密B s 來選擇。在不考慮漏磁影響時(shí),可以把氣隙中磁密分布曲線簡(jiǎn)化為矩形分布,如圖7所示。 圖7簡(jiǎn)化的氣隙磁密分布一對(duì)極下,永磁體的結(jié)構(gòu),如圖8和圖9有兩種布置。用有限元法分析,可得到每種結(jié)構(gòu)下的磁力線圈和鐵軛中磁密的分布曲線。 圖8磁力線和鐵軛中的磁密圖可以看出,圖8結(jié)構(gòu)鐵軛中磁密曲線的平坦部分很寬。但是從磁力線分布圖中看到,這種結(jié)構(gòu)磁力線都會(huì)在鐵心中間穿過,這就使得鐵心中間磁密最大,這就需要的鐵心要有較大的截面積,滿足材料最

11、大允許磁密的要求,從而電機(jī)體積也會(huì)比較大。而圖9結(jié)構(gòu)鐵軛中的磁密曲線沒有圖8中的平坦部分寬,但是從磁力線分布看,這種結(jié)構(gòu)的磁力線是分成兩股穿過鐵心的,使得鐵心中最大磁密減低了一半,這樣可以減小電機(jī)的體積。因此,要根據(jù)導(dǎo)磁材料的最大允許磁密和實(shí)際的體積要求選擇永磁結(jié)構(gòu)。圖9磁力線分布和鐵軛中的磁密4.2磁路計(jì)算每極永磁體穿過氣隙的總磁通為:5s =2R 1p B g(5從圖8和圖9兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁路分析,可得表1。對(duì)于影響氣隙磁密的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)、c 和的選取,由前面的分析可知,氣隙中為了得到平坦、較寬的磁密曲線,應(yīng)該選取:=(R 1-R 0;>(710;p =;=0.9。同時(shí)為充分利用永磁材

12、料,取:B m12B r(6h m 0.6(R 1-R 0(75線圈設(shè)計(jì)圖10所示為非導(dǎo)磁材料制成的線圈托架上放線圈的窗口。其面積大小可表示為:A w =c (8式中,可取c p 。線圈的截面積:A c =xA w (9式中,x 為占空系數(shù)。取線圈平均周長(zhǎng):L av =(R 0+h m +R 1(10在P =1,在位移內(nèi)輸出的電磁力公式為:F e =2B g JL av A c(11 圖10線圈示意圖626結(jié)論本文對(duì)比例電磁閥執(zhí)行器的主要參數(shù)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)、校核得出了氣隙磁密幅值B(T與參數(shù)、c的關(guān)系結(jié)論,同時(shí)進(jìn)行了兩種永磁體結(jié)構(gòu)方案的比較。筆者在設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)制做樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試

13、,達(dá)到了設(shè)計(jì)方案的指標(biāo)要求。文中的論述為比例電磁閥執(zhí)行器達(dá)到符合設(shè)計(jì)要求的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)和批量制做提供了合理有效的設(shè)計(jì)方法。參考文獻(xiàn)1加藤勉.電磁閥和電動(dòng)閥J.國(guó)外技術(shù),1993:34237.2秦世耀等.永磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的解析分析J.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,(3:1212124.3錢慶鐮.動(dòng)圈式永磁直線電機(jī)的磁場(chǎng)和電磁力J.微特電機(jī),2000(6:2032.作者簡(jiǎn)介:王愛樂(1971-,男,工學(xué)碩士,從事直線電機(jī)技術(shù)研究。(上接第23頁臺(tái)初級(jí)和2段間隔縱向長(zhǎng)度之和,長(zhǎng)度為1860mm,動(dòng)子永磁體數(shù)為36塊。4結(jié)論1首先對(duì)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行最小尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì),然后對(duì)垂直系統(tǒng)進(jìn)行分段設(shè)計(jì)。2整個(gè)系統(tǒng)既

14、在單臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了推力、體積的要求,又在分段設(shè)計(jì)中考慮了經(jīng)濟(jì)性的要求,較好地滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo),從而確定了最佳分段方案,建立了分段式永磁直線同步電動(dòng)機(jī)的最佳分段模型。3分析了系統(tǒng)的分段原理和分段準(zhǔn)則,然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分段優(yōu)化設(shè)計(jì)。分段結(jié)果通過仿真圖形得出。同時(shí)分段設(shè)計(jì)程序可用于設(shè)計(jì)其它高度。參考文獻(xiàn)1李慶雷,王先逵,吳丹,劉成穎,石忠東.永磁同步電機(jī)推力波動(dòng)分析及改善措施J.清華大學(xué)學(xué)報(bào),2000,40(5:33-34.2To sh iak i Enomo to.A pp licati on of M PPT Contro l To the L S Mfo r the Rope2less E lev

15、ati o rJ.LD I A2003P roceedings:3072 310.3劉曉東.遺傳算法及其在電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究D.浙江大學(xué),1999.4夏永明,張麗慧,葉云岳.永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)垂直運(yùn)輸系統(tǒng)J.微特電機(jī).2003,(6:27-28.5Bon2Gu,Kw ang hee N am.A vecto r contro l schem e fo r aPM L S M considering a N on2unifo r m F lux D istributi onJ.IEEE P ress,2000:393-396.6付子義,焦留成,夏永明.直線同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)垂直運(yùn)輸系統(tǒng)出入端效應(yīng)分析J.煤炭學(xué)報(bào).2004