第五章电-机械转换元件1

1、第五章第五章 电电- -机械转换元件机械转换元件5.1 动圈式力马达动圈式力马达5.2动铁式力马达动铁式力马达5.3直流比例电磁铁直流比例电磁铁5.4控制用电动机简介控制用电动机简介概述概述n电电- -机械转换元件的作用机械转换元件的作用：是将电气装置输入是将电气装置输入的电信号转换为机械量：力矩和位移：的电信号转换为机械量：力矩和位移：F(T)F(T)、S S。n位置：位置：在电液伺服系统中，在电液伺服系统中，作为电液控制元件的作为电液控制元件的前置级前置级，其稳态，其稳态控制精度和动态响应性能以及抗控制精度和动态响应性能以及抗干扰能力和工作的可靠性干扰能力和工作的可靠性，直接关系到整个系统

2、，直接关系到整个系统的控制精度和响应速度，也直接影响到系统工作的控制精度和响应速度，也直接影响到系统工作的可靠性和寿命。的可靠性和寿命。n常用常用：等。等。原理：原理：力马达的可动线圈悬力马达的可动线圈悬置于工作气隙中，永久磁铁在置于工作气隙中，永久磁铁在工作气隙中形成极化磁通，当工作气隙中形成极化磁通，当控制电流加到线圈上时，线圈控制电流加到线圈上时，线圈就会受到电磁力的作用而运动。就会受到电磁力的作用而运动。线圈的运动方向可根据磁线圈的运动方向可根据磁通方向和电流方向按左手定则通方向和电流方向按左手定则判断。判断。线圈上的电磁力克服弹线圈上的电磁力克服弹簧力和负载力，使线圈产生一簧力和负载

3、力，使线圈产生一个与控制电流成比例的位移个与控制电流成比例的位移。动圈式力马达1永久磁铁 2调整螺钉3平衡弹簧 4动圈 动圈式力马达1永久磁铁 2调整螺钉3平衡弹簧 4动圈 dtdiLirReuecCgdtdxDNBevCg动圈式力马达1永久磁铁 2调整螺钉3平衡弹簧 4动圈 ikNDBFiCgvCvcvcxKdtdxBdtxdmF22将前面公式分别进行拉氏变换：将前面公式分别进行拉氏变换：vCvCvcivCgPCgxKSxBxSmFIkFSxDNBELSIIrREuE2将前面公式合并整理，得力马达动态基本方程：将前面公式合并整理，得力马达动态基本方程：vCvCvcixKSxBxSmIk2从电

4、流输入到输出位移的传递函数为：从电流输入到输出位移的传递函数为： 1222swwSKksIsxcccciv其中：线圈组件的固有频率：其中：线圈组件的固有频率：cccccccmKBmkw2从电压输入到动圈输出位移的传递函数方块图：从电压输入到动圈输出位移的传递函数方块图：aa控制线圈内阻及放大器内阻之和比控制线圈内阻及放大器内阻之和比较大，因此可忽略较大，因此可忽略 ，则以电压，则以电压为输入信号的传递函数为：为输入信号的传递函数为：a1a1a1aaa221( )( )()21( )()1ctLvcaccctdgcaccKF sXsk rrkK KsEsssrrk控制线圈内阻及放大器内阻之和比较

5、大，因此可忽略控制线圈内阻及放大器内阻之和比较大，因此可忽略 ，则以电，则以电压为输入信号的传递函数为：压为输入信号的传递函数为：a可知，动圈式力马达的频宽决定于线圈组件的固有频率。而可知，动圈式力马达的频宽决定于线圈组件的固有频率。而M Mc c又较大，另外，又较大，另外，为了充分利用力马达好的线性特性，阀心行程较大，即较小。因此动圈式为了充分利用力马达好的线性特性，阀心行程较大，即较小。因此动圈式力马达的频宽比较窄，故该阀用于工作频率要求不高的场合。反电动势常力马达的频宽比较窄，故该阀用于工作频率要求不高的场合。反电动势常数数K Kd d和力马达力常数和力马达力常数K Kt t的加大都可增

6、加其阻尼，这有利于系统稳定的加大都可增加其阻尼，这有利于系统稳定。cccccccmKBmkw2力矩马达的作用力矩马达的作用：将电信号转换为机械运动将电信号转换为机械运动。原理：原理：电气电气-机械转换器是利用电磁原理工作的，它机械转换器是利用电磁原理工作的，它由永久磁铁或激磁线圈产生极化磁场，电气控制信号通由永久磁铁或激磁线圈产生极化磁场，电气控制信号通过控制线圈产生控制磁场，两个磁场之间相互作用产生过控制线圈产生控制磁场，两个磁场之间相互作用产生与控制信号成比例并能反应控制信号极性的力矩，从而与控制信号成比例并能反应控制信号极性的力矩，从而使其运动部分产生角位移的机械运动使其运动部分产生角位

7、移的机械运动 永磁动铁力矩马达原理图1放大器 2上导磁体 3永久磁铁 4衔铁 5下导磁体 6弹簧管 7永久磁铁主要组成：主要组成：永久磁铁、上导磁体、永久磁铁、上导磁体、下导磁体、衔铁、控制线圈、弹簧管下导磁体、衔铁、控制线圈、弹簧管等。衔铁固定在弹簧管上端，由弹簧管支承在上、下导磁体的中间位置，可绕弹簧管的转动中心作微小的转动。衔铁两端与上、下导磁体（磁极）形成四个工作气隙、。两个控制线圈套在衔铁之上。上、下导磁体除作为磁极外，还为永久磁铁产生的极化磁通和控制线圈产生的控制磁通提供磁路。永磁动铁力矩马达原理图1放大器 2上导磁体 3永久磁铁 4衔铁 5下导磁体 6弹簧管 7永久磁铁无信号电流

8、时：无信号电流时：衔铁在上、下导磁体的中间位置，由于力衔铁在上、下导磁体的中间位置，由于力矩马达结构是对称的。永久磁铁在四个工矩马达结构是对称的。永久磁铁在四个工作气隙中所产生的极化磁通是一样的，使作气隙中所产生的极化磁通是一样的，使衔铁两端所受的电磁吸力相同，力矩马达衔铁两端所受的电磁吸力相同，力矩马达无力矩输出。无力矩输出。当有信号电流通过线圈时：当有信号电流通过线圈时：控制线圈产生控制磁通，其大小和方向取控制线圈产生控制磁通，其大小和方向取决于信号电流的大小和方向。决于信号电流的大小和方向。永磁动铁力矩马达原理图1放大器 2上导磁体 3永久磁铁 4衔铁 5下导磁体 6弹簧管 7永久磁铁假

9、设，在气隙、中控制磁通与极化磁通方向相同，而在气隙、中控制磁通与极化磁通方向相反。因此气隙、中的合成磁通大于气隙、中的合成磁通，于是在衔铁上产生顺时针方向的电磁力矩，使衔铁绕弹簧管转动中心顺时针方向转动。当弹簧管变形产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁停止转动。如果信号电流反向，则电磁力矩也反向，衔铁向反方向转动，电磁力矩的大小与信号电流的大小成比例，衔铁的转角也与信号电流成比例。 永磁动铁力矩马达原理图1放大器 2上导磁体 3永久磁铁 4衔铁 5下导磁体 6弹簧管 7永久磁铁当放大器有输入电压时当放大器有输入电压时，将使一个控制线圈中的电流增加，另一个控制线圈中的电流减少，两个线圈中的电流分

10、别为： 10iIi20iIi两个线圈中的差动电流为两个线圈中的差动电流为1i122ciiiii 假定：假定：力矩马达的两个控制线圈由一个推挽放大器供电力矩马达的两个控制线圈由一个推挽放大器供电1 1，放大器中的常值电压在每个控制线圈中产生的常值电流放大器中的常值电压在每个控制线圈中产生的常值电流大小相等方向相反，因此在衔铁上不产生电磁力矩。大小相等方向相反，因此在衔铁上不产生电磁力矩。 i1每个线圈中的电流； i2每个线圈中的常值电流； 每个线圈中的信号电流。1i假定磁性材料和非工作气隙的磁阻可以忽略不计，只考虑四个假定磁性材料和非工作气隙的磁阻可以忽略不计，只考虑四个工作气隙的磁阻，则力矩马

11、达的磁路可用等效磁路表示。工作气隙的磁阻，则力矩马达的磁路可用等效磁路表示。 当衔铁处于中位时，每个工作气隙的磁阻为 0ggglRA 式中 gl磁铁在中位时每个气隙的长度； gA磁极面的面积； 0空气导磁率，70410/Wb mA。 衔铁偏离中位时的气隙磁阻为 101gggglxxRRAl 201gggglxxRRAl 式中 1R气隙、的磁阻； 2R气隙、的磁阻； x 衔铁端部（磁极面中心）偏离中位的位移。 1i1i由于磁路是对称的桥式磁路，故通过对角线气隙的磁通是相等的。对包含气隙、极化磁动势pM和控制磁动势cNi的闭合回路，应用磁路的基尔霍夫第二定律可得气隙、的合成磁通为 11221/pc

12、ipcggMNMNiRRx l 对气隙、可得合成磁通为 22221/pcpcggMNiMNiRRx l 式中 pM永久磁铁产生的极化磁动势； cNi控制电流产生的控制磁动势； cN每个控制线圈的匝数。 利用衔铁在中位时的极化磁通g和控制磁通c来表示pM和cNi更为方便，则 11/gcgx l 21/gcgx l 式中 g衔铁在中位时气隙的极化磁通， 2pggMR c衔铁在中位时气隙的控制磁通， 衔铁在磁场中所受电磁吸力可按马克斯威尔公式计算 式中 F电磁吸力； 气隙中的磁通； gA磁极面的面积。 1ic衔铁在中位时气隙的控制磁通， 2ccgNiR 衔铁在磁场中所受电磁吸力可按马克斯威尔公式计算

13、 202gFA 由控制磁通和极化磁通相互作用在磁铁上产生的电磁力矩为142dTa FF 式中，a是衔铁转动中心到磁极面中心的距离；1F、4F是气隙、处的电磁吸力。考虑到气隙、处也产生同样的电磁力矩，所以乘以二倍。电磁力矩可进一步写成 22120dgaTA 考虑到衔铁转角很小，故有xtga，xa，则上式可以写为 2222222111ctmggdgxKiKlTxl 式中 tK力矩马达的中位电磁力矩系数，2tcggaKNl mK力矩马达的中位磁弹簧刚度，gggmRlaK224 1/2gc 由于在力矩马达设计中通常满足（由于在力矩马达设计中通常满足（x/g）2且且以改善其线性度、稳定性和防止衔铁被永久

14、吸附，则以改善其线性度、稳定性和防止衔铁被永久吸附，则ikKTtmd 应用牛顿第二定律，得衔铁力矩平衡方程：应用牛顿第二定律，得衔铁力矩平衡方程：载力矩。作用在衔铁上的任意负簧刚度；衔铁转轴的机械扭转弹性阻尼系数；衔铁的机械和负载的粘负载转运惯量；衔铁及任何加于其上的LaaALaatadTKBJTKdtdBddJT22 对分支点对分支点A或或B应用磁路基尔霍夫第一定律可得衔铁磁通应用磁路基尔霍夫第一定律可得衔铁磁通12a 将式（将式（6-9）和式（）和式（6-10）代入上式，整理后得）代入上式，整理后得 22/21/ggcagx lx l 由于由于2/1gx l1，故上式可简化为，故上式可简化

15、为 2cagggNxilR 考虑到考虑到xa，上式可写为，上式可写为 2cagggNailR 对分支点对分支点A或或B应用磁路基尔霍夫第一定律可得衔铁磁通应用磁路基尔霍夫第一定律可得衔铁磁通12a 将式（将式（6-9）和式（）和式（6-10）代入上式，整理后得）代入上式，整理后得 22/21/ggcagx lx l 由于由于2/1gx l1，故上式可简化为，故上式可简化为 2cagggNxilR 考虑到考虑到xa，上式可写为，上式可写为 2cagggNailR 1i1i1比例电磁铁工作原理比例电磁铁工作原理导套导套3的左右两段由导磁材料制成，的左右两段由导磁材料制成，中间用非导磁材料的隔磁环焊

16、接，前中间用非导磁材料的隔磁环焊接，前段作成锥形结构，形成极靴。段作成锥形结构，形成极靴。隔磁环比较短，产生的漏磁通可以忽略。锥形极靴通过优化设计，隔磁环比较短，产生的漏磁通可以忽略。锥形极靴通过优化设计，可以控制磁极的磁性饱和度，形成水平吸力特性。同时，衔铁处可以控制磁极的磁性饱和度，形成水平吸力特性。同时，衔铁处于静压平衡状态，因此能耐高压（于静压平衡状态，因此能耐高压（35MPa）便于做成可靠的湿）便于做成可靠的湿式比例电磁铁。式比例电磁铁。1i1比例电磁铁工作原理比例电磁铁工作原理1i1i2 静态特性静态特性1i2 静态特性静态特性1）以上分析没有考虑电磁铁的滞环特性，这种滞环是由于磁

17、铁以上分析没有考虑电磁铁的滞环特性，这种滞环是由于磁铁材料的磁滞和运动磨擦引起的。材料的磁滞和运动磨擦引起的。2）没有考虑支撑环和导套之间的配合间隙偏心所形成的径向磁没有考虑支撑环和导套之间的配合间隙偏心所形成的径向磁卡紧力。卡紧力。3）为了减少滞环和径向为了减少滞环和径向 磁卡紧力，除了在材料选择及设计制造磁卡紧力，除了在材料选择及设计制造工艺工艺 等方面采取改进措施外，往往采用在控制等方面采取改进措施外，往往采用在控制 输入信号上叠加输入信号上叠加颤振信号，使比例电磁铁的工作特性得以改善。颤振信号，使比例电磁铁的工作特性得以改善。4）另外，工程实际中常采用带位移电反馈比例电磁铁，构成位另外

18、，工程实际中常采用带位移电反馈比例电磁铁，构成位置控制闭环，有利于提高控制精度和抗干扰能力。置控制闭环，有利于提高控制精度和抗干扰能力。1i3 动态特性动态特性比例电磁铁控制线圈的端电压增量方程比例电磁铁控制线圈的端电压增量方程比例电磁铁出力平衡方程：比例电磁铁出力平衡方程：1i3 动态特性动态特性比例电磁铁出力平衡方程：比例电磁铁出力平衡方程：比例电磁铁出力的线性方程：比例电磁铁出力的线性方程：两式合并进行拉氏变换：两式合并进行拉氏变换：ikKKyDSyIys2ms1i3 动态特性动态特性1i4 比例电磁铁的典型结构比例电磁铁的典型结构1）带位移反馈的比例电磁铁）带位移反馈的比例电磁铁为改善

19、比例电磁铁的线性度和滞环，为改善比例电磁铁的线性度和滞环，常通过差动变压器检测衔铁的位移并常通过差动变压器检测衔铁的位移并反馈到电子放大器的输入反馈到电子放大器的输入 端，组成端，组成衔铁的位置调节。衔铁的位置调节。单向比例电磁铁主要用于比例压力阀和比例节流阀以及比例调速单向比例电磁铁主要用于比例压力阀和比例节流阀以及比例调速阀。对于阀。对于 比例方向比例方向 阀，需要使用双向比例电磁铁阀，需要使用双向比例电磁铁2）单向比例电磁铁）单向比例电磁铁1i4 比例电磁铁的典型结构比例电磁铁的典型结构由两个单身螺线管式比例电磁由两个单身螺线管式比例电磁铁组成，当左右两个电磁铁中铁组成，当左右两个电磁铁

20、中的某一个通入电流时，在该的某一个通入电流时，在该 电电磁铁中形成磁通，使衔铁向一磁铁中形成磁通，使衔铁向一侧运动，其位移大小与电流成侧运动，其位移大小与电流成比例；当另一电磁铁通入电流，比例；当另一电磁铁通入电流，衔铁向相反的一侧运动，从而衔铁向相反的一侧运动，从而达到双向控制目的。达到双向控制目的。3）双向比例电磁铁）双向比例电磁铁这种结构原理的电磁铁在零这种结构原理的电磁铁在零位附近存在较大的死区，其位附近存在较大的死区，其线性比较差，增益线性比较差，增益 也比较低。也比较低。图图5.20是一种优质的耐高压是一种优质的耐高压双向比例电磁铁原理图。双向比例电磁铁原理图。两个对称的励磁线圈极

21、性相同，将两者串联，当通两个对称的励磁线圈极性相同，将两者串联，当通以恒定的励磁电流以恒定的励磁电流 ，形成磁通，形成磁通 ， 和和 ，于，于时在左右两侧极靴处形成方向相同的固定磁通时在左右两侧极靴处形成方向相同的固定磁通耐高压双向比例电磁铁原理耐高压双向比例电磁铁原理实际上是两个耐高压的单向比例电磁铁的组实际上是两个耐高压的单向比例电磁铁的组合，在磁路设计上，有一对磁通控制电流的合，在磁路设计上，有一对磁通控制电流的线圈线圈9和和12，还有一对励磁线圈，还有一对励磁线圈10和和13.1gI321s两个对称的励磁线圈极性相反，将两者串联，两个对称的励磁线圈极性相反，将两者串联，当通以恒定的励磁

22、电流当通以恒定的励磁电流 ，形成磁通，形成磁通 ， ，由于各控制磁通相等，方向相反，于是在左由于各控制磁通相等，方向相反，于是在左右两侧极靴处，固定磁通和控制磁通相叠加右两侧极靴处，固定磁通和控制磁通相叠加cI1c2c左两侧极靴处总磁通：左两侧极靴处总磁通：cgL右两侧极靴处总磁通：右两侧极靴处总磁通：cgr使左侧吸力大于右侧，衔铁左移使左侧吸力大于右侧，衔铁左移21 步进电机步进电机1 步进电机步进电机 -输入角速度输入角速度 -输入脉冲频率输入脉冲频率1 步进电机步进电机步进电机是根据数字装置输入的脉冲序列进步进电机是根据数字装置输入的脉冲序列进行工作。每输入一个脉冲，电机轴产生一个行工作

23、。每输入一个脉冲，电机轴产生一个固定的角位移，称为步距，电机的输出速度固定的角位移，称为步距，电机的输出速度取决于输入脉冲的频率取决于输入脉冲的频率fnf三相式供电方式三相式供电方式 ，由于每次只有一个绕组通电，每当转换时，某一相通电，另一相断电的瞬间，可，由于每次只有一个绕组通电，每当转换时，某一相通电，另一相断电的瞬间，可能各相都处于断电状态，以致引起失步。若采用六拍式供电，依次按能各相都处于断电状态，以致引起失步。若采用六拍式供电，依次按AABBBCCCA通电，通电，保证每次供电的瞬间都有一对极供电，就克服了失步的问题，由于三拍变六拍，由保证每次供电的瞬间都有一对极供电，就克服了失步的问

24、题，由于三拍变六拍，由60度变度变30度。度。原理：原理：mZk0360执行机构执行机构步进液压马达步进液压马达 执行机构执行机构步进液压马达步进液压马达执行机构执行机构-步进液压缸步进液压缸活塞活塞A腔有效面积为腔有效面积为B腔的腔的1/2，平衡状平衡状态下，态下，B腔压力为腔压力为1/2Ps当输入一个反向脉冲信号到步进电机使当输入一个反向脉冲信号到步进电机使阀芯左移：阀芯左移：B腔油液通过阀口回油箱，活腔油液通过阀口回油箱，活塞右移，同时通过螺母、滚珠丝杠拉阀塞右移，同时通过螺母、滚珠丝杠拉阀芯右移，直至将开口完全封死为止。芯右移，直至将开口完全封死为止。平衡活塞平衡活塞6用于防止活塞杆用于防止活塞杆1内腔压力把螺杆内腔压力把螺杆3向右推。向右推。可以看出：可以看出：步进液压缸是一个闭环位置控制系统。步进液压缸是一个闭环位置控制系统。当输入脉冲信号到步进电机使阀芯右移：当输入脉冲信号到步进电机使阀芯右移：油源压力进入油源压力进入B腔使其压力上升，活塞腔使其压力上升，活塞左移，同时通过螺母、滚珠丝杠拉阀芯左移，同时通过螺母、滚珠丝杠拉阀芯左移，直至将开口完全封死为止。左移，直至将开口完全封死为止。2 直流直流 伺服伺服 电机电机2 直流直流 伺服伺服 电机电机直流伺服电动机是直流伺服电动机是调速电机调速电机中的一种，它工作时有两种控制方中的一种，它工作时有两种控制