比例电磁阀用直线电机几个关键参数的设计

1、比例电磁阀用直线电机几个关键参数的设计收稿日期:2005-06-20王爱乐,卜庆华(太原理工大学电气与动力工程学院,太原030024摘要:比例电磁阀是液压系统中的一个重要控制元件。液压系统的运行特性很大程度上取决于比例电磁阀电磁执行器的特性。因此如何提高比例电磁阀执行器的性能指标是该领域中的一个重大课题。作为电磁阀执行元件的永磁动圈式直线电机设计合理时,其输出的电磁力与线圈中的电流为正比关系,因此容易被控制,应用场合也较多。文中对一种永磁动圈式直线电机的结构和基本电磁力理论做了研究,并进行了电机设计。关键词:直线电动机;永磁动圈;比例电磁阀;参数;设计中图分类号:TM359.4文献标识码:A文

2、章编号: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引言比例电磁阀是利用比例电磁铁输出的电磁力,使液流压力和流量连续地、

5、按比例跟随控制信号而变化。其控制性能优于开关式控制,能将输入的电信号(电流按比例转换成机械量(力或位移输出。与旋转式比例电磁阀相比,直线式结构简单,控制和应用更加方便。1永磁直线电机的设计概述永磁直线电机电磁设计的主要任务是确定主要尺寸,选择永磁材料和动子磁路结构,估算永磁体尺寸,设计定子、动子结构和选择绕组数据。永磁直线电机的设计必须满足特定的运行准则,主要是力和振幅两大指标,同时要电机体积小,效率最高。为获得较大的行程,在设计中须考虑采用较大体积的永磁体、较小的线圈自感和较小的动子质量,同时要选择合适的往复频率。频率较高时,意味着电机要在较短的时间内走完行程。在一个行程要经历加速和减速的过

6、程,也就是要起动一次和制动一次。往复频率越高,电动机的加速度就越大,加速度所对应的推力就越大。推力的提高导致电动机的尺寸加大,而其质量加大又引起加速度所对应的推力进一步提高,有时产生恶性循环,为此在设计电机时,应当充分重视对加速度的控制。根据合适的加速度计算出走完行程所需时间,由此决定电机的往返频率。在整个设计中,应尽量减小运动部分的质量,以便减小加速度所对应的推力。永磁直线电机要求高效率,且工作可靠,在满足性能和造价的前提下,使体积和损耗最小。2直线电机的结构及电磁力作为应用于电液控制系统的比例电磁阀,电磁铁本身需要有好的封闭性,所以应该用圆筒型永磁动圈式直线电机。圆筒型永磁动圈式直线电机的

7、基本结构如图1所示。利用洛伦兹力公式,圆筒型永磁动圈式直线电机每极下产生的电磁推力为:F=B g N L av I(142 图1动圈式永磁直线电机示意图式中,B g 为气隙径向磁密;I 为线圈中电流,I =J S d ;N 为匝数;L av 为磁场作用范围内线圈每匝的平均长度,L av =(R p +R 1。V d =N S d L av (2式中,S d 为导线的横截面积;J 为电流密度;V d 为线圈的体积。可以导出:F =B g JVd(3在电流恒定时,为了获得直线推力特性,V d 应该在运动过程中保持处于相同的B g 内。如果采用多对极时,直线电机的电磁力公式为:F =2PB g JV

8、 d (4式中,P 为极对数。从式(4中可以看到:要使圆筒型永磁动圈式直线电机输出最大的电磁力,应该选择高的B g ,J ,V d 。3气隙磁密分析在一对极下,理想的气隙磁密的波形可近似为一个梯形波,如图2所示。 图2理想的气隙磁密波形 取=p +B ,线圈处于平衡位置时(x =0,每极下的线圈应当处于气隙磁密的平坦部分中央,并且每极下线圈的轴向长度加上最大位移应等于气隙磁密的平坦部分长度。所以气隙磁密平坦部分越宽,动圈的最大位移量越小时,线圈长度c 才能越大。为了考察圆筒型永磁动圈直线电机中的气隙磁密分布,采用有限元分析。计算中导磁材料为线性材料,不考虑磁饱和现象,磁导率0为2000,为常数

9、,永磁体的剩磁B r =1.0(T 。图3为气隙磁场计算模型。图3气隙磁场计算模型令=p ,=,c =h m ,电机气隙中间和铁轭中磁密的分布曲线如图4至图6所示。由此可得出下述结论。1气隙磁密幅值与B r 成正比,并且与参数c 有关系,c =h m<1,c 越大则磁密的幅值越大。图4对气隙和铁轭中磁密曲线的影响(=10,c =0.5,h m=20图5对气隙和铁轭中磁密曲线的影响(c =0.5,=0.9,h m=20图6参数c 对铁轭中磁密曲线的影响522当=越大时,曲线的平坦部分越宽,一般可取>10为好。3越大,曲线越平坦,一般可取=0.9。4电机磁路设计 4.1永磁体的结构从设

10、计方面的考虑,除了前面所讲的B g 和J 的选取之外,还要对电机的体积和具体结构设计,比如永磁体的结构设计。永磁体的分布要根据所需要的体积大小,以及导磁材料的最大允许磁密B s 来选择。在不考虑漏磁影响时,可以把气隙中磁密分布曲线简化为矩形分布,如图7所示。 图7简化的气隙磁密分布一对极下,永磁体的结构,如图8和图9有两种布置。用有限元法分析,可得到每种结构下的磁力线圈和铁轭中磁密的分布曲线。 图8磁力线和铁轭中的磁密图可以看出,图8结构铁轭中磁密曲线的平坦部分很宽。但是从磁力线分布图中看到,这种结构磁力线都会在铁心中间穿过,这就使得铁心中间磁密最大,这就需要的铁心要有较大的截面积,满足材料最

11、大允许磁密的要求,从而电机体积也会比较大。而图9结构铁轭中的磁密曲线没有图8中的平坦部分宽,但是从磁力线分布看,这种结构的磁力线是分成两股穿过铁心的,使得铁心中最大磁密减低了一半,这样可以减小电机的体积。因此,要根据导磁材料的最大允许磁密和实际的体积要求选择永磁结构。图9磁力线分布和铁轭中的磁密4.2磁路计算每极永磁体穿过气隙的总磁通为:5s =2R 1p B g(5从图8和图9两种结构进行磁路分析,可得表1。对于影响气隙磁密的3个关键参数、c 和的选取,由前面的分析可知,气隙中为了得到平坦、较宽的磁密曲线,应该选取:=(R 1-R 0;>(710;p =;=0.9。同时为充分利用永磁材

12、料,取:B m12B r(6h m 0.6(R 1-R 0(75线圈设计图10所示为非导磁材料制成的线圈托架上放线圈的窗口。其面积大小可表示为:A w =c (8式中,可取c p 。线圈的截面积:A c =xA w (9式中,x 为占空系数。取线圈平均周长:L av =(R 0+h m +R 1(10在P =1,在位移内输出的电磁力公式为:F e =2B g JL av A c(11 图10线圈示意图626结论本文对比例电磁阀执行器的主要参数进行了合理设计。通过设计、校核得出了气隙磁密幅值B(T与参数、c的关系结论,同时进行了两种永磁体结构方案的比较。笔者在设计参数的基础上对制做样机进行了测试

13、,达到了设计方案的指标要求。文中的论述为比例电磁阀执行器达到符合设计要求的经济技术指标和批量制做提供了合理有效的设计方法。参考文献1加藤勉.电磁阀和电动阀J.国外技术,1993:34237.2秦世耀等.永磁电机气隙磁场的解析分析J.太原理工大学学报,2002,(3:1212124.3钱庆镰.动圈式永磁直线电机的磁场和电磁力J.微特电机,2000(6:2032.作者简介:王爱乐(1971-,男,工学硕士,从事直线电机技术研究。(上接第23页台初级和2段间隔纵向长度之和,长度为1860mm,动子永磁体数为36块。4结论1首先对单台电动机进行最小尺寸优化设计,然后对垂直系统进行分段设计。2整个系统既

14、在单台设计时考虑了推力、体积的要求,又在分段设计中考虑了经济性的要求,较好地满足了设计指标,从而确定了最佳分段方案,建立了分段式永磁直线同步电动机的最佳分段模型。3分析了系统的分段原理和分段准则,然后对系统进行分段优化设计。分段结果通过仿真图形得出。同时分段设计程序可用于设计其它高度。参考文献1李庆雷,王先逵,吴丹,刘成颖,石忠东.永磁同步电机推力波动分析及改善措施J.清华大学学报,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刘晓东.遗传算法及其在电机优化设计中的应用研究D.浙江大学,1999.4夏永明,张丽慧,叶云岳.永磁同步直线电动机的驱动垂直运输系统J.微特电机.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付子义,焦留成,夏永明.直线同步电动机驱动垂直运输系统出入端效应分析J.煤炭学报.2004