一種新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵的輸出特性研究

林振華

(浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院，浙江杭州 311231)

0 前言

近年來，數(shù)字控制相關(guān)技術(shù)高速發(fā)展，電液開關(guān)閥因具有高可靠性、強排污能力、快速切換能力、小體積、靈活控制等特點，已廣泛應(yīng)用在工程機械、汽車、煤礦機械、航空航天等重要工業(yè)領(lǐng)域。二維(2D)電液換向閥憑借獨有的伺服螺旋機構(gòu)，使整閥具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強、動態(tài)性能出色等優(yōu)點，已成功運用在航空航天等重要領(lǐng)域。旋轉(zhuǎn)電磁鐵作為二維(2D)電液換向閥中電-機械能量轉(zhuǎn)化的執(zhí)行器，其動、靜態(tài)特性直接決定了2D換向閥的控制性能和產(chǎn)品質(zhì)量。

傳統(tǒng)的二維(2D)電液換向閥所使用的旋轉(zhuǎn)電磁鐵具有較大摩擦阻力矩，散熱能力較差，限制了其輸出力矩的大小，因此提出了一種將電磁鐵鐵芯浸泡在油液中的新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵，建立了其數(shù)學(xué)模型，通過仿真軟件分析了電磁鐵的輸出特性，并根據(jù)仿真結(jié)果對電磁鐵進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后通過實驗驗證了新型旋轉(zhuǎn)電磁鐵的可行性。

1 新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵的結(jié)構(gòu)如圖 1所示，線圈與線圈骨架組成線圈組件，并安裝在內(nèi)導(dǎo)磁體上，外導(dǎo)磁體與內(nèi)導(dǎo)磁體通過隔磁環(huán)焊接在一起，鐵芯一端插入到內(nèi)導(dǎo)磁體中，另一端作為輸出軸使用，同時鐵芯與外導(dǎo)磁體間的斜面為工作面，外導(dǎo)磁體上裝有限位銷用來限制鐵芯的轉(zhuǎn)動極限角度，防止工作面碰撞，并限定扭簧復(fù)位的極限位置。

圖1 電磁鐵三維結(jié)構(gòu)示意

1.2 工作原理

當(dāng)工作線圈中未通入電流時，電磁鐵中無磁場產(chǎn)生，鐵芯在復(fù)位彈簧作用下保持不動，電磁鐵不會對外輸出電磁力矩；當(dāng)工作線圈中通入電流時，通電線圈產(chǎn)生磁場，此磁場通過內(nèi)導(dǎo)磁體與外導(dǎo)磁體構(gòu)成閉合回路，鐵芯在磁場作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，對外輸出電磁力矩；當(dāng)線圈突然斷電時，鐵芯不再受到電磁力作用，將在復(fù)位彈簧的作用下回到原位。

2 新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵的數(shù)學(xué)模型

旋轉(zhuǎn)式電磁鐵的工作原理如圖 2所示。可得旋轉(zhuǎn)式電磁鐵的電磁學(xué)方程為

圖2 旋轉(zhuǎn)式電磁鐵的工作原理示意

(1)

式中：為旋轉(zhuǎn)式電磁鐵中繞組的輸入電壓；為工作線圈的電阻；為工作線圈的電感；為工作線圈的反電動勢系數(shù)；為旋轉(zhuǎn)式電磁鐵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角；為工作線圈內(nèi)的電流。

而旋轉(zhuǎn)式電磁鐵的輸出力矩方程可寫為

=

(2)

式中：為旋轉(zhuǎn)式電磁鐵的輸出力矩；為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

旋轉(zhuǎn)式電磁鐵在工作過程中，需要克服轉(zhuǎn)子-鐵芯組件的慣性力矩、黏性負(fù)載帶來的黏性力矩、彈簧產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩以及外部存在的負(fù)載力矩，因此電磁鐵的運動方程可寫為

(3)

式中：為轉(zhuǎn)子-鐵芯組件的轉(zhuǎn)動慣量；為轉(zhuǎn)子受到的黏性阻尼；為彈簧剛度；為可能存在的負(fù)載力矩。

將式(1)—式(3)聯(lián)立，并進(jìn)行拉氏變換，即可得到新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵的傳遞函數(shù)框圖(如圖 3所示)。

圖3 旋轉(zhuǎn)式電磁鐵的傳遞函數(shù)框圖

由圖3可以推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)電磁鐵的傳遞函數(shù)為

(4)

由電磁鐵的傳遞函數(shù)可知：該系統(tǒng)為二階震蕩環(huán)節(jié)，其中各項系數(shù)均大于零，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。減小轉(zhuǎn)子-鐵芯組件的轉(zhuǎn)動慣量或是增大負(fù)載彈簧剛度都可以提高旋轉(zhuǎn)式電磁鐵的固有頻率，以提升動態(tài)性能，但需要增大旋轉(zhuǎn)電磁鐵的阻尼比來防止電磁鐵的超調(diào)量過大引起不穩(wěn)定。

3 電磁鐵有限元仿真分析

Maxwell是電磁元件最常用的仿真軟件，主要應(yīng)用于電機、電液作動器、電感、變壓器、磁性傳感器等各類機電產(chǎn)品的開發(fā)，是一種電磁場分析工具，具有計算電磁力、電磁力矩、電感、電容等設(shè)計參數(shù)的功能，且可以直接將仿真對象的電磁場分布以云圖或矢量圖的形式顯示出來。

3.1 仿真模型與參數(shù)設(shè)置

為驗證新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵磁路的正確性，并且能直觀看出激勵電流、電磁鐵工作面傾角以及鐵芯預(yù)轉(zhuǎn)角對于電磁鐵輸出特性的影響，利用Maxwell對旋轉(zhuǎn)電磁鐵進(jìn)行了仿真分析。其仿真模型如圖 4所示，其各零件的材料屬性如表1所示，詳細(xì)的仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示，表中未給出的設(shè)置均為軟件默認(rèn)設(shè)置。

圖4 新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵的Maxwell仿真模型

表1 各零件材料

表2 具體參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果及分析

3.2.1 新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵的磁路驗證

為驗證新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵結(jié)構(gòu)的正確性，對工作面傾角為45°的濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵仿真模型進(jìn)行了激勵源為400安·匝時的仿真，并得到了其磁場云圖和磁場矢量圖。

由圖 5(a)可知：新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵的磁路設(shè)計是正確的。由圖 5(b)和(c)可知：內(nèi)導(dǎo)磁體、外導(dǎo)磁體和鐵芯受幾何尺寸的影響，在一些部位存在磁路飽和的現(xiàn)象，但對旋轉(zhuǎn)電磁鐵的扭矩輸出影響不大。根據(jù)仿真結(jié)果，在400 安·匝的激勵下，工作面傾角為45°的電磁鐵輸出扭矩大小為0.02 N·m，力矩方向是在設(shè)計時限定的順時針。

圖5 400安·匝時工作面傾角為45°的電磁鐵仿真磁場圖

3.2.2 不同工作面傾角對電磁鐵輸出特性的影響

為分析不同工作面傾角對電磁鐵輸出扭矩的影響，建立了如圖 6所示的不同的三維模型，考慮到結(jié)構(gòu)合理性，將工作面傾角按15°間隔劃分，分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。

圖6 電磁鐵工作面傾斜角度示意

根據(jù)三維模型中對工作面不同傾角的劃分，分別對其扭矩隨安匝數(shù)變化的情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖 7所示。可知：隨著激勵電流的不斷增大，電磁鐵扭矩也在增大，而且在300～500 安·匝區(qū)間時扭矩隨電流變化趨勢減緩，輸出力矩的線性度開始變差。但隨著工作面傾角的不斷增大，相同激勵電流下，電磁鐵的輸出力矩整體呈先增大后減小的趨勢。其中，當(dāng)工作面傾角為45°時，電磁鐵具有最大的輸出力矩，因此將選用45°傾角作為新型濕式電磁鐵的最終設(shè)計方案。

圖7 工作面不同傾角對應(yīng)電流-扭矩特性圖

3.2.3 不同鐵芯預(yù)轉(zhuǎn)角對電磁鐵輸出特性的影響

對選定的濕式電磁鐵結(jié)構(gòu)(工作面傾角為45°)進(jìn)行扭矩-轉(zhuǎn)角特性仿真分析，激勵源大小設(shè)置為400 安·匝，仿真結(jié)果如圖 8所示，其中轉(zhuǎn)角指鐵芯工作面在電磁力作用下吸合時轉(zhuǎn)動的角度，范圍為0°～1.5°。圖 8所示結(jié)果表明：在400 安·匝激勵下，隨著銜鐵預(yù)轉(zhuǎn)角的增加(兩工作面間隙隨之減小)，電磁鐵的輸出扭矩將隨之增加，在預(yù)轉(zhuǎn)角為1.5°時，輸出扭矩達(dá)到最大，為54 mN·m。

圖8 濕式電磁鐵扭矩-轉(zhuǎn)角特性圖

根據(jù)上述仿真結(jié)果，最終選定工作面傾角為45°，預(yù)轉(zhuǎn)角為1.5°的電磁鐵作為最終的模型。

4 新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵的輸出特性試驗研究

4.1 新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵及其試驗平臺

根據(jù)仿真結(jié)果確定的濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)試制了試驗樣機，如圖 9所示。旋轉(zhuǎn)電磁鐵的試驗平臺如圖10所示。28 V直流電源為控制器供電，控制器控制輸入到被試件線圈上的電流大小；試驗樣機緊固在固定支架上，并通過聯(lián)軸器與扭矩傳感器相連；扭矩傳感器也被固定在支架上，檢測試驗樣機在不同電流輸入下的扭矩大小。

圖9 濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵樣機

圖10 濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵試驗臺

4.2 輸出特性試驗結(jié)果

對濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵的控制線圈輸入不同大小的激勵電流，并用扭矩測試儀檢測其在不同激勵電流下的輸出扭矩，可得到如圖 11所示的輸出特性曲線。

圖11 濕式電磁鐵輸出特性曲線

從圖11可以看出:試驗曲線與仿真曲線基本符合，電磁鐵的輸出扭矩隨激勵電流的增大而增大，但在相同大小的激勵電流下，實際測得的電磁鐵輸出力矩總是小于仿真值。猜測這可能是由于安裝誤差導(dǎo)致電磁鐵存在過多氣隙，使得實際工作磁路中磁阻大于仿真模型中磁阻導(dǎo)致的。

5 結(jié)論

為改善旋轉(zhuǎn)電磁鐵的輸出特性，提出一種新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵，闡述其結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理，建立電磁鐵的數(shù)學(xué)模型，并通過仿真和試驗對新型電磁鐵設(shè)計的合理性以及輸出特性進(jìn)行研究。主要內(nèi)容包括如下幾部分：

(1) 從電磁學(xué)方程及動力學(xué)方程角度出發(fā)，推導(dǎo)建立新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵的傳遞函數(shù)，由傳遞函數(shù)得出減小轉(zhuǎn)子-鐵芯組件的轉(zhuǎn)動慣量或增大負(fù)載彈簧剛度可以提升電磁鐵的動態(tài)性能，但同時需要增大電磁鐵的阻尼比，以防止電磁鐵的穩(wěn)定性過差。

(2) 根據(jù)已有的三維模型建立了Maxwell仿真模型，首先驗證了新型電磁鐵的磁路正確性，然后研究了工作面傾角及鐵芯預(yù)轉(zhuǎn)角對于電磁鐵輸出力矩大小的影響。發(fā)現(xiàn)在相同激勵電流下，隨著工作面傾角增大，電磁鐵的輸出力矩呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在傾角45°時具有最大的輸出力矩；發(fā)現(xiàn)電磁鐵的輸出力矩隨著鐵芯預(yù)轉(zhuǎn)角的增大而增大。因此最終選擇傾角為45°、鐵芯預(yù)轉(zhuǎn)角為1.5°的電磁鐵模型試制實驗樣機。

(3) 對電磁鐵樣機進(jìn)行了輸出特性的試驗測試，試驗曲線與仿真曲線基本符合。由試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，新型濕式旋轉(zhuǎn)電磁鐵具有較好的輸出特性，能夠在后續(xù)研制新型二維電液換向閥中起到促進(jìn)作用。但在相同激勵電流下，仿真值總是略大于試驗值，分析可能是由于裝配誤差使電磁鐵中存在的氣隙變多，使實際工作磁路中磁阻大于仿真模型中磁阻導(dǎo)致的。