動(dòng)鐵式電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)與功耗分析

常浩遠(yuǎn)等

摘要：電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)很多，按其運(yùn)動(dòng)形式可分為直線(xiàn)式和轉(zhuǎn)動(dòng)式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器；按其輸出特性可分為開(kāi)關(guān)型和比例型電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器；按其線(xiàn)圈供電種類(lèi)可分為直流和交流電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器；按其運(yùn)動(dòng)部件可分為動(dòng)鐵式和動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器。動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)器與動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器相比，具有輸出力（力矩）/體積比大、靈敏度高和體積小等優(yōu)點(diǎn)，在輸出相等負(fù)載的情況下功耗相對(duì)較小，因此基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新成為低功耗電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器研究的重要方向之一。本文對(duì)動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)與功耗進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。

關(guān)鍵詞：動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器；結(jié)構(gòu)；功耗

按照是否具有永磁機(jī)構(gòu)，動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器通常可分為電磁鐵和力/力矩馬達(dá)。首先，電磁鐵是一種通過(guò)控制線(xiàn)圈在導(dǎo)體中產(chǎn)生的輸出力/轉(zhuǎn)矩，使銜鐵作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)外作功的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器。以典型比例電磁鐵結(jié)構(gòu)為例，

其工作原理為：當(dāng)給定比例電磁鐵控制線(xiàn)圈一定電流時(shí)，在線(xiàn)圈電流控制磁勢(shì)作用下，形成兩條磁路，一條磁路Φ1由端蓋經(jīng)盆形極靴底部沿軸向工作氣隙進(jìn)入銜鐵，穿過(guò)導(dǎo)套后段、殼體回到端蓋極靴，產(chǎn)生軸向力Fml。另一條磁路晚經(jīng)盆形極靴錐形周邊（導(dǎo)套前段）徑向穿過(guò)工作氣隙，再進(jìn)入銜鐵，而后與Φ1匯合，形成附加軸向力Fm2。二者綜合得到比例電磁鐵輸出力Fm相對(duì)于銜鐵位移的水平力特性。

其次，力/力矩馬達(dá)是一種通過(guò)控制線(xiàn)圈和永磁體的共同作用在導(dǎo)磁中產(chǎn)生的輸出力/轉(zhuǎn)矩，使銜鐵作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)外做功的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器。以典型雙向線(xiàn)性力馬達(dá)結(jié)構(gòu)為例，其工作原理為：當(dāng)線(xiàn)圈不通電時(shí)，輸出力和彈簧力將使銜鐵處于中位；當(dāng)線(xiàn)圈通入一種極性的電流后，內(nèi)部磁場(chǎng)一部分通過(guò)磁場(chǎng)疊加得到增強(qiáng)、另一部分則因?yàn)榇艌?chǎng)相抵而減弱，于是內(nèi)部磁場(chǎng)將不再平衡，這種不平衡將驅(qū)動(dòng)銜鐵向磁場(chǎng)增強(qiáng)的部分移動(dòng)；反之當(dāng)通入電流的極性發(fā)生變化時(shí)，銜鐵又會(huì)向另一個(gè)方向移動(dòng)。這樣，線(xiàn)性力馬達(dá)可以產(chǎn)生左右兩個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)力，相應(yīng)的推動(dòng)銜鐵產(chǎn)生兩個(gè)方向的位移。

由功能轉(zhuǎn)換關(guān)系可知，動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)通常包括動(dòng)作過(guò)程和穩(wěn)態(tài)，當(dāng)動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的線(xiàn)圈輸入階躍電壓信號(hào)并使銜鐵產(chǎn)生動(dòng)作時(shí)，從電能輸入到負(fù)載機(jī)械功輸出的轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在功能轉(zhuǎn)換效率；而達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)銜鐵不動(dòng)作，電能輸入全部轉(zhuǎn)變?yōu)殂~損。因此在一定的結(jié)構(gòu)尺寸及同等輸出能力下，針對(duì)降低動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器功耗（即電能輸入）的方法有：一是減小穩(wěn)態(tài)時(shí)所消耗地銅損；二是提高功能轉(zhuǎn)換效率。

第一，減小穩(wěn)態(tài)時(shí)所消耗地銅損傳統(tǒng)動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器在穩(wěn)態(tài)時(shí)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器對(duì)外不輸出機(jī)械功，卻仍然消耗與動(dòng)作過(guò)程中同樣的銅損，因此希望通過(guò)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和工作方式的改進(jìn)來(lái)減小穩(wěn)態(tài)時(shí)所消耗地銅耗。根據(jù)動(dòng)作過(guò)程和穩(wěn)態(tài)采用不同通電方式的策略，減小穩(wěn)態(tài)時(shí)所消耗地銅耗的途徑有：低電流保持方式，永磁雙穩(wěn)態(tài)保持方式，剩磁力保持方式以及功能材料保持方式等。采用上述方式實(shí)現(xiàn)低功耗目的的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器典型應(yīng)用比較普遍，例如開(kāi)關(guān)式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器采用瞬態(tài)大電流使銜鐵運(yùn)動(dòng)而穩(wěn)態(tài)低電流或無(wú)源保持的方法有效地降低了元件功耗，但是該方法目前僅適用于非連續(xù)控制的開(kāi)關(guān)型電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，因此其適用范圍受到限制。

第二，提高功能轉(zhuǎn)換效率動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器在動(dòng)作過(guò)程中存在功能轉(zhuǎn)換效率。由功能轉(zhuǎn)換關(guān)系知，為了提高電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的功能轉(zhuǎn)換效率，必須從提高電磁轉(zhuǎn)換率、磁能利用率和機(jī)械功利用率著手。提高電磁轉(zhuǎn)換率的途徑，是要設(shè)法降低鐵損和銅損，如應(yīng)用高電阻率和低磁滯效應(yīng)的優(yōu)質(zhì)導(dǎo)磁性材料降低鐵損，增大鐵和銅的用量雖然可以提高輸出力/電流比，從而降低銅損，但是體積和重量也相應(yīng)地提高了。因此其效率與成本、體積之間存在矛盾。提高磁能利用率的途徑，是要設(shè)法提高機(jī)械功與極限磁場(chǎng)能量的比值，具體可采用的方法有：應(yīng)用優(yōu)質(zhì)導(dǎo)磁材料和減小去磁氣隙。但是過(guò)分地減小去磁氣隙，將會(huì)使得電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的剩磁增大，從而發(fā)生不能夠可靠釋放的不良后果。因此其效率與成本、工作可靠性存在矛盾。提高機(jī)械功利用率的途徑，是要設(shè)法減小運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，由于運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與負(fù)載反力特性相關(guān)，因此其效率因負(fù)載反力特性而異。