第五章电-机械转换元件1

第五章电-机械转换元件5.1动圈式力马达5.2动铁式力马达5.3直流比例电磁铁5.4控制用电动机简介概述

电-机械转换元件的作用：是将电气装置输入的电信号转换为机械量：力矩和位移：F(T)、S。位置：在电液伺服系统中，作为电液控制元件的前置级，其稳态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，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可靠性和寿命。常用：动铁式力矩马达、动圈式力马达、比例电磁铁、步进电机、直流和交流伺服电机等。返回子目录5.1动圈式力马达原理：力马达的可动线圈悬置于工作气隙中，永久磁铁在工作气隙中形成极化磁通，当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。线圈的运动方向可根据磁通方向和电流方向按左手定则判断。线圈上的电磁力克服弹簧力和负载力，使线圈产生一个与控制电流成比例的位移。返回子目录动圈式力马达1－永久磁铁2－调整螺钉3－平衡弹簧4－动圈

5.1动圈式力马达返回子目录动圈式力马达1－永久磁铁2－调整螺钉3－平衡弹簧4－动圈

5.1动圈式力马达动圈式力马达1－永久磁铁2－调整螺钉3－平衡弹簧4－动圈

返回子目录将前面公式分别进行拉氏变换：将前面公式合并整理，得力马达动态基本方程：从电流输入到输出位移的传递函数为：其中：线圈组件的固有频率：5.1动圈式力马达5.1动圈式力马达从电压输入到动圈输出位移的传递函数方块图：控制线圈内阻及放大器内阻之和比较大，因此可忽略，则以电压为输入信号的传递函数为：5.1动圈式力马达控制线圈内阻及放大器内阻之和比较大，因此可忽略，则以电压为输入信号的传递函数为：可知，动圈式力马达的频宽决定于线圈组件的固有频率。而Mc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Kd和力马达力常数Kt的加大都可增加其阻尼，这有利于系统稳定。力矩马达的作用：将电信号转换为机械运动。原理：电气-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，从而使其运动部分产生角位移的机械运动5.2动铁式力矩马达返回子目录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：永久磁铁、上导磁体、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①、②、③、④。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。5.2动铁式力矩马达返回子目录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时：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，力矩马达无力矩输出。当有信号电流通过线圈时：控制线圈产生控制磁通，其大小和方向取决于信号电流的大小和方向。5.2动铁式力矩马达返回子目录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－永久磁铁假设，在气隙①、③中控制磁通与极化磁通方向相同，而在气隙②、④中控制磁通与极化磁通方向相反。因此气隙①、③中的合成磁通大于气隙②、④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。

5.2动铁式力矩马达返回子目录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，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别为：

两个线圈中的差动电流为假定：力矩马达的两个控制线圈由一个推挽放大器供电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大小相等方向相反，因此在衔铁上不产生电磁力矩。5.2动铁式力矩马达i1——每个线圈中的电流；

i2——每个线圈中的常值电流；

ｉ——每个线圈中的信号电流。返回子目录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，则力矩马达的磁路可用等效磁路表示。

5.2动铁式力矩马达返回子目录5.2动铁式力矩马达返回子目录5.2动铁式力矩马达5.2动铁式力矩马达返回子目录5.2动铁式力矩马达返回子目录由于在力矩马达设计中通常满足（x/g）2＜＜１且以改善其线性度、稳定性和防止衔铁被永久吸附，则应用牛顿第二定律，得衔铁力矩平衡方程：5.2动铁式力矩马达返回子目录5.2动铁式力矩马达返回子目录5.2动铁式力矩马达5.3直流比例电磁铁比例电磁铁是将电信号转换成机械力和位移的电-机械转换元件，是电液比例控制系统的重要组成部分。电液比例阀的组成如下：

5.3直流比例电磁铁1比例电磁铁工作原理导套3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接，前段作成锥形结构，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，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（35MPa）便于做成可靠的湿式比例电磁铁。5.3直流比例电磁铁1比例电磁铁工作原理5.3直流比例电磁铁5.3直流比例电磁铁2静态特性5.3直流比例电磁铁2静态特性1）以上分析没有考虑电磁铁的滞环特性，这种滞环是由于磁铁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卡紧力。3）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工艺等方面采取改进措施外，往往采用在控制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。4）另外，工程实际中常采用带位移电反馈比例电磁铁，构成位置控制闭环，有利于提高控制精度和抗干扰能力。5.3直流比例电磁铁3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出力平衡方程：5.3直流比例电磁铁3动态特性比例电磁铁出力平衡方程：比例电磁铁出力的线性方程：两式合并进行拉氏变换：5.3直流比例电磁铁3动态特性5.3直流比例电磁铁4比例电磁铁的典型结构1）带位移反馈的比例电磁铁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反馈到电子放大器的输入端，组成衔铁的位置调节。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阀。对于比例方向阀，需要使用双向比例电磁铁2）单向比例电磁铁5.3直流比例电磁铁4比例电磁铁的典型结构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的某一个通入电流时，在该电磁铁中形成磁通，使衔铁向一侧运动，其位移大小与电流成比例；当另一电磁铁通入电流，衔铁向相反的一侧运动，从而达到双向控制目的。3）双向比例电磁铁这种结构原理的电磁铁在零位附近存在较大的死区，其线性比较差，增益也比较低。图5.20是一种优质的耐高压双向比例电磁铁原理图。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，形成磁通，和，于时在左右两侧极靴处形成方向相同的固定磁通5.3直流比例电磁铁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合，在磁路设计上，有一对磁通控制电流的线圈9和12，还有一对励磁线圈10和13.两个对称的励磁线圈极性相反，将两者串联，当通以恒定的励磁电流，形成磁通，，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左两侧极靴处总磁通：右两侧极靴处总磁通：使左侧吸力大于右侧，衔铁左移1）改变控制电流大小，改变衔铁位移大小2）改变控制电流方向，改变衔铁位移方向3）改变励磁电流大小，改变比例电磁铁的增益5.4控制用电机1步进电机5.4控制用电机1步进电机---输入角速度---输入脉冲频率5.4控制用电机1步进电机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A→AB→B→BC→C→CA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60度变30度。原理：5.4控制用电机执行机构步进液压马达5.4控制用电机

执行机构步进液压马达5.4控制用电机执行机构----步进液压缸活塞A腔有效面积为B腔的1/2，平衡状态下，B腔压力为1/2Ps当输入一个反向脉冲信号到步进电机使阀芯左移：B腔油液通过阀口回油箱，活塞右移，同时通过螺母、滚珠丝杠拉阀芯右移，直至将开口完全封死为止。平衡活塞6用于防止活塞杆1内腔压力把螺杆3向右推。可以看出：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：油源压力进入B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，直至将开口完全封死为止。5.4控制用电机2直流伺服电机5.4控制用电机2直流伺服电机直流伺服电动机是调速电机中的一种，它工作时有两种控制方法：一种是电枢控制方式，另一种是磁场控制方式。1）电枢控制方式是指直流伺服电动机采用励磁绕组上加恒压励磁，控制电压施加于电枢绕组来进行控制。永磁式直流伺服电动机只有电枢控制调速一种方式。电枢控制时直流伺服电动机原理：励磁绕组接到直流电源上，通过电流产生磁通。电枢绕组作为控制绕组接控制电压uc。将电枢电压作为控制信号以控制电动机的转速。当控制电压不为零时，电动机旋转，当控制电压为零时，电动机停止转动。2）磁场控制方式:直流伺服电动机在电枢绕组上施加恒压，将控制电压信号施加于励磁绕组来进行控制。5.4控制用电机2直流伺服电机稳态特性：是指电动机在稳态情况下工作时，其转子转速、电磁力矩和电枢控制电压三者之间的关系。在静态特性方程中，如果把角速度ω看作是电磁转矩Tm的函数，即ω