电-机械转换器

表1

类型

基本结构、工作原理与特性

力

控

制

型

比

例

电

磁

铁

基

本

形

式

：

单

向

直

动

式

1—轭铁；2—导向套锥端；3—衔铁；4—线圈；5—导向套；6—壳体

(b)耐高压直流比例电磁铁的结构和特性

Ⅰ—吸合区；Ⅱ—工作行程区；Ⅲ—空行程区

1—导套；2—限位片；3—推杆；4—工作气隙；5—非工作气隙；6—衔铁；7—轴承环；8—隔磁环

Φ₁、Φ₂的磁路示意图　　　　　　行程力特性

(c)比例电磁铁磁路内的气隙磁导和行程力特性

(d)不带位移反馈比例电磁铁位移-力特性

基本结构：图a为单向直动式比例电磁铁，由软磁材料的衔铁、导向套、轭铁、外壳以及励磁线圈和输出推杆等组成。导向套的前后两段之间用非导磁材料焊成整体，形成筒状结构的导向套具有足够的强度，可承受充满其中的油液静压力达35MPa。导套内孔径精加工，与衔铁上用非导磁材料制成的低摩擦支承环，形成轴向移动的低摩擦副。导套前段端部经优化设计成锥形。导套与壳体之间为同心螺线管式控制线圈。导套中的衔铁处于静压平衡状态，衔铁前端装有输出推杆，衔铁后端由弹簧和调节螺钉组成调零机构。衔铁前端与轭铁之间形成工作气隙，衔铁与导套之间的径向间隙为非工作气隙。动铁前后通油孔用于改善动态特性

工作原理及特性(图c)：比例电磁铁的输入端为控制线圈，输出端为推杆。当控制线圈输入励磁控制电流后，形成的磁路经由轭铁、导磁壳体、导套、非工作的径向气隙、衔铁，然后分成两路，一路的磁通Φ₁由衔铁经工作气隙到轭铁底面，另一路的磁通Φ₂由衔铁经气隙、导套锥端到轭铁。磁场的特性是要使磁阻减小，Φ₁与Φ₂都有减小工作气隙即减小磁阻的作用。Φ₁的作用是形成底面力F_M1，Φ₂的作用是形成锥面力F_M2，F_M1与F_M2的合力F_M即为比例电磁铁推杆上的输出力(指力控制型)。输出力F_M与输入控制电流I在比例电磁铁的工作行程中是近似成比例的，无级调节其输入控制电流，就可实现其输出力的无级调整。这就是比例电磁铁的电磁作用工作原理。电磁铁分3个区段：用小隔磁环来消除第1区段；第2区段为水平吸力区；第3区段为辅助工作区

双

向

1—壳体；2—线圈(左右)；3—导向套；

4—隔磁环；5—轭铁；6—推杆

基本结构：图e为双向极化式比例电磁铁的结构示意图，采用对称配置两个平底动铁式结构，在壳体中对称安排了两对线圈。由于在其磁路中的初始磁通，避开了磁化曲线起始段的非线性影响，使输出电磁力、输入控制电流特性无零位死区、线性好、滞环小；由于采用平底、锥形盆口、动铁式结构，具有良好的水平吸力特性，其动态响应较快，工作频宽几乎为单向直动式比例电磁铁的一倍，可达100Hz以上。也可作为动铁式力马达控制伺服阀，其稳态特性和动态特性均优于单向直动式比例电磁铁

工作原理及特性(图f)：两对线圈中一对为励磁线圈，相互串联，极性相同，由恒流电源供给恒定的励磁电流，形成磁路的初始磁通Φ₁、Φ₂和Φ₃。由于结构及线圈绕组的参数对称相同，左右两端电磁吸力大小相等、方向相反，衔铁处于平衡状态，输出力为零。另一对为控制线圈，极性相反，串联或并联，当输入控制电流时，则产生极性相反、数值相同的控制磁通Φ_c和Φ'_c，它们与初始磁通叠加，使左右两端工作气隙的总磁通分别发生变化，衔铁两端的电磁吸力不等，形成了与控制电流方向和大小相对应的输出力

位

置

调

节

型

比

例

电

磁

铁

图i为位置调节型比例电磁铁，配有电感式位移传感器，用以检测阀芯的实际位置，它将与阀芯行程成比例的电压信号反馈至比例放大器，构成位置闭环控制，改善了滞环和非线性，提高了抗干扰能力并抑制了作用在阀芯上液动力的影响。图j为电压-位移特性，呈简单的比例关系。此外，采用衔铁位置反馈控制，对提高比例电磁铁的动态性能也有一定效果

旋

转

电

磁

铁

(l)单向旋转电磁铁　　　　　　　　　　　　　　　　　(m)双向旋转电磁铁结构原理

1—线圈；2—转子；3—定子

(n)双向旋转电磁铁(端部形状)

一般为有限角位移旋转电磁铁，分单向与双向两种。单向电磁铁(图l)的特点是转子、定子分别由三片导磁钢片叠合而成，定子通过销钉与壳体相连；转子通过半月形孔与输出轴相连。机壳、定子、转子和转轴构成磁路。其功能原理是当有电流通过线圈时，转子便向定子对中方向旋转。由于对定、转子齿进行了特殊设计，当转子齿快要与定子齿对中时，仍能保持一定的力矩。但这种电磁铁只能单向旋转，转角-力矩特性曲线的水平段较短

双向旋转电磁铁(图m)的定子、转子左右对称布置，定、转子齿进行了特殊设计，当转子齿快要与定子齿重合时，能保持一定的力矩。当转子转动时，其工作气隙处于变长度和变面积两种情况并存状态。这种旋转电磁铁的转角范围较大(±5°或更大些)，转角-力矩曲线水平段较长，并且定子、转子之间的初始位置可以方便地进行调节。这种双向旋转电磁铁能实现双向连续比例控制

表2　　　　　　　　　　　　　　　　　　基本类型电磁铁的结构、特性、适用情况对照

类型

结构

输入输出特性

使用

力控制型

力控制型+负载弹簧

结构完全相同，只是使用上的区别

电流-输出力

与输入电流成正比的是输出力，在工作区内与衔铁位移无关，即具有水平吸力特性

行程较短，用于先导级

行程控制型

电流-力-位移

与输入电流成正比的是负载弹簧转化的输出位移

输出行程较大，多用于直控阀

位置调节型

力控制型+位移传感器

增加了衔铁位置小闭环

电流-衔铁位置

与输入电流成正比的是衔铁位移而与所受反力无关，具体力的大小在最大吸力之内根据负载需要定

有衔铁位置反馈闭环，用于控制精度要求较高的直控阀