新型旋转比例电-机械转换器静态特性研究

针对传统旋转电-机械转换器静态特性线性度不高、工作范围小的问题,设计了一种新型旋转比例电-机械转换器,采用磁路解析、Maxwell 3D静磁场有限元分析和实验测试等方法研究了旋转比例电-机械转换器的静态特性,并加工了样机,进行了相关实验研究。实验结果表明,电-机械转换器工作范围为-5~5°,最大输出力矩约为±252 m N·m,具有正的磁弹簧刚度,实验与仿真的差值集中在9.6 m N·m以内,相对误差基本小于6%;电-机械转换器具有良好的重复精度,转角-力矩特性曲线非线性误差小于1.5%,滞环小于3.5%,电流-力矩特性曲线具有很好的线性度及较小的滞环,测试结果与仿真结果基本一致。

新型双向比例电-机械转换器的研制

提出一种永磁极化、具备双向驱动能力的电-机械转换器,其工作原理是基于极化磁通与控制磁通的差动叠加控制;分析了其磁场分布及位移-力输出特性。实验结果表明该力马达具有耐高压能力、良好的线性度、较小的滞环和较高的频响,可应用于比例阀或伺服阀。

耦合磁滞的电-机械转换器多场建模及参数优化

为准确描述微小型电-机械转换器的频响受磁路敏感参数的影响规律,提出融合磁滞的电-机械转换器电-磁-固耦合多场的仿真模型,模拟转换器毫秒级的动态响应。首先,根据转换器的结构原理及各物理量的作用关系,在COMSOL平台中建立转换器电-磁-固耦合动态仿真模型,并引入J-A模型描述高频激励下的动态磁滞特性;然后,搭建电-机械转换器高频电磁力测试台以验证仿真模型准确性;最后,基于所建模型对转换器的影响频响的关键参数进行分析,得出激励电压、线圈匝数、衔铁长度和弹簧刚度的优化方法。研究结果表明:本文提出的融合磁滞的电-机械转换器电-磁-固多场耦合仿真模型的最大电磁力仿真结果与实验结果的相对误差仅为0.65%;电-机械转化器的激励电压应控制在12~15 V之间,衔铁长度取值范围为8.0~10.8 mm,线圈匝数可选220匝,弹簧刚度范围应为8~14 N/mm。

电液伺服/比例阀用电-机械转换器的研究进展

电-机械转换器是电液伺服/比例阀的关键元件之一,其按照工作原理的不同可以分为电磁能量转换式和基于功能材料的电-机械转换器等两大类。对这两大类电-机械转换器的研究进展进行了综述,详细介绍了其工作原理并比较了各自的优缺点。最后对其在当前电液伺服/比例阀中的实际应用情况和存在的问题作了总结和讨论。

基于Mlx90316的电-机械转换器角位移测控系统

为提高电液伺服控制系统的响应速度和精度,将角位移测控技术应用到电-机械转换器控制闭环中,增加步进电机位置信号作为控制参数,实现了位置闭环控制。开展了基于霍尔技术位移测量技术的研究及其解码原理的分析;根据Mlx90316芯片的时序要求,设计了一种电-机械转换器角位移测控系统,实现了角位移的非接触式测量;测控系统以TMS320F2812 DSP作为主控器,开发了相关功能模块,进行了位移闭环PID控制策略的研究,以及软硬件的设计与测试,实现了步进电机的位置反馈与闭环控制。测试结果表明,该系统测量速度可达2 800 fp/s,精度可达12 bit,系统具有测速范围宽、控制精度高等特点。

伺服阀用GMM电-机械转换器静态输出特性的研究

介绍了利用国产超磁致伸缩材料研制的电—机转换器结构与工作原理,利用磁压方程和磁路原理,导出了其位移和力输出特性的静态数学模型.构建了GMM转换器的静态输出特性的实验测试系统,实验研究了GMM转换器的输出位移、输出力的静态和滞回特性.实验结果表明:GMM转换器具有较大的输出位移和输出力;施加适当的预压力和偏置磁场可增大GMM转换器线性输出位移;驱动电流在0.5～1.25A范围内,可有效减小输出位移的非线性.实验测得的原始输出数据,为进一步将其应用于两级电液伺服阀提供了设计和实验依据.

压电数字阀电-机械转换器设计与分析

针对压电陶瓷本身输出位移微小不能直接用于电-气(液)阀作为电-机械转换器的缺点,设计了一种基于弹性铰链的一级微位移放大机构以有效放大压电陶瓷的输出位移,并作为数字阀的电-机械转换器。进行了放大机构的结构和参数设计,并采用有限元分析方法对其进行了静力学、动力学和疲劳强度分析。分析表明,该设计符合要求。最后,对所设计的放大机构进行放大特性实验研究。实验表明:该放大机构实际放大倍数为4.2,基本接近于有限元分析放大倍数4.59,且具有良好的动态响应特性,可作为研究高性能压电数字阀的电-机械转换器。

磁柱式二维阀用电-机械转换器的数值模拟

永磁励磁式电-机械转换器由于永磁体的高温退磁而在应用时存在可靠性问题,为此提出了一种电励磁的磁柱式新型二维阀用电-机械转换器。其结构简单,易于模块化设计和装配,通过对气隙的形状优化设计还有可能获得比例的力矩-转角特性。建立了该电-机械转换器的三维有限元模型,在Ansoft Maxwell平台上分析了其磁场分布,讨论了励磁安匝数、工作气隙、衔铁和极靴的主要结构参数等对驱动力矩-转角特性的影响,分析结果对于后续的工程设计具有较好的参考价值。

多层压电晶体型电—机械转换器动态特性研究

本文设计了多层压电晶体型电—机械转换器及其驱动电路，并对其进行了阶跃响应和频率响应特性的实验。

基于CFD的电-机械转换器空气阻尼分析

针对电-机械转换器的空气阻尼问题,基于动网格技术,对三种不同结构的推力线圈骨架的运动空气阻尼进行了CFD计算。仿真结果表明,随着运动频率和速度的增大,推力线圈骨架的空气阻尼效应更加显著。通过对推力线圈骨架的端部开孔,可以大大改善其空气流通特性、压力和速度分布更合理。结构二的空气阻尼较结构一减小81%,结构三的空气阻尼较结构一减小98%,可知高速工况下作用于电-机械转换器的空气阻尼能够通过优化其结构而得到减小。

阀用电-机械转换器的应用研究

介绍了传统和新型两类电-机械转换器的作用、原理及特点,并对其性能进行了分析比较;着重阐述了超磁致伸缩电-机转换器(GIANT MAGNETOSTRICTIVE ACTUATOT,GMA),压电 PZT／电致PMN伸缩型电-机转换器,形状记忆合金(SHAPE MEMORY ALLOY,SMA)在流体控制元件中的应用现状。分析结果表明:超磁致伸缩型和电致PMN伸缩型电-机转换器具有应变大,结构简单,响应快和精度高等优点,它的出现为微流体元件的驱动提供了更新更有效的方法,具有良好的应用前景。

阀用电-机械转换器动静态性能测试方法

为了对行程0～20 mm、输出力-500～500 N的直线电动机,尤其是电液伺服比例阀用电-机械转换器的性能进行准确测试,提出了一种新的阀用电-机械转换器动静态性能测试方法。利用该方法可对被测电机的闭环控制性能进行测试,设计了相应的测试系统。简单的机械结构实现了对具有单向、双向输出能力的电机进行测试,高性能分析系统实现了对被测电机的动态性能的高效测试,所设计的测试方法及测试系统的测试结果与仿真结果一致,证明该测试方法及其测试系统是可信的,为阀用电-机械转换器的试验研究提供了良好的支持。

脉冲气体供应阀电-机械转换器磁路结构设计分析

脉冲气体供应阀是脉冲感应式推力器中极其重要的装置。结合推力器对阀快速响应性的要求以及阀中电-机械转换器的工作原理,在现有永磁体技术基础上,针对传统磁路结构存在的问题,提出一种新型环状动圈式电-机械转换器结构。采用磁导分析法,建立磁路结构模型,对永磁激励动圈式电-机械转换器的磁路结构进行设计和分析。静态磁场仿真表明,该磁路结构产生的平均气隙磁感应强度为1.102 T,这一指标很好的满足脉冲气体供应阀对电-机械转换器工作气隙磁感应强度的要求,同时其结构体积要比传统外磁式结构小约10%。

基于动网格的电-机械转换器空气动力学分析

针对高频高速工况下电-机械转换器动圈组件的空气阻尼问题,基于开孔对平板空气阻尼特性影响的理论分析,对电-机械转换器的绕线筒进行结构优化,并采用动网格技术对其运动空气阻尼特性进行CFD计算。结果表明,随着运动频率和速度的增大,动圈组件受到的空气阻尼几乎与速度的平方成正比。对绕线筒的端部开孔,可大大提高空气流通能力,改善其周围流场的速度和压力分布。相对于结构一,结构二和结构三的空气阻尼分别减小64.3%和97.1%,效果显著。高频高速工况下作用于电-机械转换器的空气阻尼,能够通过优化其内部结构而得到减小。

永磁盘式电-机械转换器控制研究

设计基于DSP低惯量永磁盘式步进电机控制器,采用电流和位置双闭环反馈控制,并将该控制系统作为数字伺服阀电—机械转换器。由于电流受电感和反电势的影响,电—机械转换器的响应频率被限制在165Hz以下,采用一阶微分和惯性环节进行电流补偿校正后,该系统频率响应性能得到极大的提高,实验研究结果表明最高响应频率达到215 Hz。

高速比例电磁阀电-机械转换器动态特性研究

在对一种新型的高速比例电磁阀电-机械转换器工作原理分析的基础上,采用了理论建模、仿真分析的方法,得出了在PWM驱动情况下电-机械转换器不同的绕组电流、电感、感应电动势、衔铁位移和速度以及电磁力的响应曲线。通过与试验的电流响应曲线相对比分析:该电-机械转换器结构简单、可靠,电流响应速度大约为0.5 ms,最大输出位移0.2 mm,仿真结果与试验结果基本一致。

空心杯直流伺服电-机械转换器控制器设计

为提高数字伺服阀的频率响应,设计了空心杯直流伺服电-机械转换器控制器。该控制器以TMS320LF2812为控制核心,由驱动模块、位置检测模块以及电流调理电路组成,实现了以脉冲宽度调制(PWM)方法为基础,电流-位置双闭环的控制方式。实验结果表明,该控制器能够实现空心杯直流电机转子的精确定位,并提高数字伺服阀的频率响应。

2D伺服阀步进电机式电-机械转换器控制研究

为了解决2D伺服阀步进电机式电-机械转换器传统工作方式所存在的分辨率与响应速度之间的矛盾,同时,保证其在系统内部参数变化及外部扰动作用下也能具有良好的控制效果,本文提出了基于自抗扰控制(ADRC)的位置和电流双闭环同步跟踪控制算法。首先,阐述了步进电机式电-机械转换器的同步控制原理,建立了数学模型,设计了自抗扰控制器;其次,根据位置、电流双闭环同步跟踪控制算法,利用Matlab/Simulink对电-机械转换器进行了仿真分析,仿真结果表明,该电-机械转换器具有良好的动静态特性,同时在不同电感、摩擦力等内部参数变化以及外部脉冲干扰作用下也具有良好的控制能力,与传统PID控制相比具有较好的控制效果;最后,为了验证分析的正确性和控制算法的有效性,设计了该电-机械转换器的嵌入式控制系统,搭建了步进电机式电-机械转换器及2D伺服阀特性测试平台,电-机械转换器所测得的对应-3 dB、-90°的频宽为250 Hz,上升时间约为5 ms,实验结果和理论分析较吻合;采用该电-机械转换器的2D伺服阀所测得的对应-3 dB、-90°的频宽约为135 Hz,阶跃响应的上升时间约为8 ms,实验验证了在系统工作压力变化时,系统也具有良好的控制效果。理论分析和实验表明,该电-机械转换器在基于自抗扰控制的位置和电流双闭环同步跟踪控制算法下具有良好的动静态特性,同时具有良好的鲁棒性、抗干扰性。

基于细菌觅食算法的多线圈电-机械转换器双模控制技术研究

针对提升电-机械转换器快速响应特性的技术需求,提出了新型三线圈结构电-机械转换器。通过建立的电-机械转换器数学模型,提出采用细菌觅食算法来寻找时间最优解,并基于此方法设计了砰-砰与比例-积分双模控制器。分析与仿真结果表明,相对于传统单线圈电-机械转换器,采用双模控制器的三线圈电-机械转换器,其响应时间从8.5 ms缩短至2.5 ms,震荡和超调不超过5%,可知该技术能够实现响应特性,前景良好。

基于线圈分割技术的电-机械转换器特性研究

基于线圈组合变换后的电感与电阻对时间常数与电流的影响,文章对载流线圈组采用新型线圈分割及组合变换方法,进而对电-机械转换器的线圈组的电压加载响应时间、输出电磁力及加速度进行研究。结果表明,相对于单线圈组串联,多个线圈组并联后,电-机械转换器的的频率约为500 Hz,线圈长度和电流都得到提高,电磁力的峰值达到276.4 N,增大到原来的16倍多,加速度达到27.64 g。由此可知,该技术能够实现高响应特性和大推力控制效果。