直驱式电液伺服阀用线性力马达耐高温优化设计

穆玉康， 苏琦， 徐兵， 鲜亚萍， 金理

(1.浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室， 浙江 杭州 310027;2.上海航天控制技术研究所，上海 200233 )

相比于传统的喷嘴挡板阀和射流管阀，直驱式电液伺服阀取消了中间传动环节，采用线性力马达等电-机械转换器直接驱动阀芯运动，结构简单，抗污染能力强，在工业机械中应用广泛[1]. 线性马达作为直驱式电液伺服阀的电-机械转换器，主要功能是将输入的电流控制信号转换为力或位移，从而驱动DDV阀芯运动[2]. 线性马达输出力大，电流-力特性线性度好，可双向运动，结构简单，是直线驱动功率级滑阀的理想选择，其特性和可靠性直接决定DDV阀的控制性能，是DDV阀的核心部件之一[3-4].

典型的线性马达主要结构有衔铁、导磁环、激励线圈、永磁体、活动杆、复位弹簧等. 当线圈不通电时，衔铁处于中位，左右气隙相等，永磁体的磁势在两边工作气隙处产生的固定磁通相等. 当线圈通电时，则会在气隙处产生控制磁通，与固定磁通相配合，使衔铁两端产生力差，从而使马达对外输出驱动力，大小与电流信号成比例,如图1～2所示.

为提高马达输出力和高温工况下的性能，用Ansoft Maxwell软件对多种结构方案进行电磁学仿真分析，分析线圈参数、气隙结构、永磁材料等因素对力马达输出力的影响[5-6]，然后修改相应的参数，验证优化方案的合理性.

1 仿真模型建立与实验

1.1 建立Ansoft仿真模型

线性马达为轴对称结构，为减少计算量，提高计算精度，用Maxwell建立马达的二维轴对称模型，如图3所示，模型参数设置如表1所示.

项目说明求解器静磁场求解器材料导磁体、导磁环、轴承组件、衔铁等:工业纯铁永磁体:钕铁硼线圈:铜(匝数为650匝)励磁源电流源,激励安匝数为0～900安匝边界条件气球边界网格划分自适应网格划分与手动网格划分相结合,如图3(b)所示求解设置最大收敛步数为30,收敛百分比误差为1%,每步细化百分比为30%

1.2 实验与仿真曲线对比

文中线性力马达所采用的测试设备是Zwick Z2.5PLV比例电磁铁及弹簧多功能测试仪，用于测量电磁铁的力-位移-电流等各项性能参数. 测试的马达的电流-力特性如图4实线所示.

根据1.1所建立的模型进行仿真，并与马达的测试数据进行比较(衔铁在零位时)，可以看出仿真结果与实验数据基本吻合，能够基本反映线性力马达的电流-力特性，验证了所建立的模型是正确的.

2 结构参数对电磁吸力影响分析

2.1 安匝数对电磁吸力影响分析

图5是安匝数对马达输出力特性的仿真结果. 从图中可以看出，安匝数从0～1 500时，电磁输出力从25.85 N迅速增加到99.92 N；安匝数在1 500～2 600时，电磁输出力增加缓慢，从99.92 N增加到120.30 N；安匝数大于2 600时，改变安匝数并不能明显改变输出力大小. 这是由于磁性材料磁化曲线的非线性造成的，当安匝数达到一定程度后，磁性材料内的磁感应强度达到饱和状态，此时增加安匝数，电磁吸力变化不大，但线圈的发热量按激励电流的平方增长. 因此，在电磁铁设计时应依据磁性材料的饱和磁通选择安匝数，在获得较大电磁输出力的同时，有效控制线圈发热量.

2.2 气隙宽度对电磁力影响分析

根据电磁学知识可知，磁路结构在气隙处容易产生较大的磁阻和磁通泄漏，气隙宽度对马达输出力有较大的影响. 为分析气隙宽度与马达输出力之间的关系，对气隙宽度在0.3～0.7 mm之间的变化进行仿真分析，得到的结果如图6所示. 数据表明减小气隙宽度可有效提高线性马达的输出力，衔铁在零位时，气隙由0.7 mm减小到0.3 mm，马达输出力(i=1.2 A时)由52.9 N增加到72.43 N，增大40%；0.2 mm处，输出力增加40 N，增大约56%.

2.3 导磁体结构对电磁力影响分析

根据马达磁路磁力线分布图，衔铁与导磁体之间磁阻较大，导磁体尺寸结构对磁通分布有一定影响. 因此对导磁体宽度b在1.9～3.0 mm之间的变化进行仿真分析，导磁体结构如图2所示，仿真结果如图7所示. 由电流-力特性曲线可以看出：b值越大，线性马达的电流-力特性越好，在b>2.7 mm时，电磁力增幅较小.

3 永磁材料分析

线性马达中永磁体可提供部分所需的磁动力，从而使驱动线性力马达所需的电流显著低于相应的比例电磁铁，所以永磁材料的磁性能及高温时性能的稳定性对线性力马达的输出力性能有重要的影响. 目前工业应用较多的永磁材料主要有铝镍钴永磁材料、钕铁硼永磁材料、钐钴永磁材料等[7]，三种材料性能对比如表2所示.

表2 铝镍钴、钕铁硼、钐钴永磁体性能参数对比

由表2可见，铝镍钴永磁材料温度系数较低，仅为0.02%/℃，居里温度高达860 ℃，使用温度在560 ℃以上，但其内禀矫顽力很低，通常小于160 kA/m，磁性较弱，不适用于需要较大输出力的线性力马达中. 钕铁硼永磁材料常温下磁性能远高于其他永磁材料，剩余磁感应强度可达到1.47 T，磁感应矫顽力可达992 kA/m，是目前磁性能最强的永磁材料，但其温度系数较高，居里温度仅为310～410 ℃，高温磁损严重，磁性能热稳定性较差，使用温度一般低于80 ℃. 而此线性马达稳定工作温度在150～200 ℃，钕铁硼永磁材料并不能满足工况要求. 钐钴永磁材料常温磁性能略低于钕铁硼，磁性能较强，居里温度可达900 ℃，使用温度在300 ℃以上，可满足线性力马达高输出力和高温工况的要求.

4 结 论

通过Maxwell电磁分析软件分析研究表明，线圈安匝数、气隙大小和导磁体宽度对线性马达的电流-力特性有显著影响： ① 安匝数小于1 500时，电流-力特性基本呈线性，且输出力增大较快，大于2 600时，磁性材料磁感应强度趋于饱和，此时增大安匝数对输出力影响不大； ② 气隙δ在0.3～0.7 mm之间变化时，δ越小，电流-力特性越好，考虑到衔铁的行程，取δ=0.4 mm较适宜； ③ 导磁体宽度b越大，电流-力特性越好，当b>2.7 mm时，输出力增幅较小，考虑到装配问题，b取2.7 mm较适宜； ④ 该线性马达工作环境温度较高，且输出力较大，铝镍钴永磁材料虽然温度稳定性较好，但磁性较弱；而钕铁硼永磁体磁性很强，但热稳定性较差；钐钴永磁体磁性能和热稳定性都较好. 综合分析钐钴永磁体性能更能满足线性马达的工作要求. 在结构参数选择最优时(安匝数为1 000，δ=0.4 mm，b=2.7 mm)，线性马达的输出力在100 N以上，性能显著提升.