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低功耗比例电—机械转换器关键技术研究

李勇  
【摘要】:比例电-机械转换器作为电液伺服/比例阀的核心部件,在国防及民用工业如航空航天、军事、机床、矿山、冶金和工程机械等领域的电液控制系统中起着重要作用。随着工业可持续发展节能要求的不断提高,对比例电-机械转换器的性能提出了更高更多方面的要求。降低比例电-机械转换器的功耗,可以降低成本和线圈温升,提高工作稳定性,特别适用于航空航天、深海、野外等电力供应不便领域工程中的应用,是目前电-机械转换器研究的一个热点。低功耗比例电-机械转换器的研究将有助于更好地满足市场需求和可持续发展节能要求。 本文以低功耗比例电-机械转换器关键技术为研究对象,采用理论分析、解析计算、数值仿真和试验研究相结合的方法,对低功耗比例电-机械转换器关键技术进行了系统、深入的研究。采用减小轴向非工作气隙和引入双径向工作气隙的低功耗策略,提出了低功耗耐高压单向比例电磁铁的新结构;并在此低功耗策略的基础上,采用永磁偏置磁通和控制磁通差动工作方式,提出了低功耗耐高压双向线性力马达的新结构;通过磁路分析和磁场有限元仿真,分别阐述了结构参数的作用机理及具体匹配关系。低功耗耐高压单向比例电磁铁的试验结果表明其额定行程为1.4 mm,额定输出力为96 N,线性度高,滞环小,具有良好的动态特性,额定稳态功耗仅为9.5 W,线圈温升低。低功耗耐高压双向线性力马达的试验结果表明其额定行程为±1 mm,额定输出力为±100 N,具有10 N/mm的正磁弹簧刚度,线性度高,滞环小,具有良好的动态特性,额定稳态功耗仅为8.3 W,线圈温升低。作为低功耗耐高压单向比例电磁铁的实例应用,成功地研制了一种低功耗先导式溢流阀,并对其稳态和瞬态特性进行了仿真与试验研究。 有关各章内容分述如下: 第一章从电液伺服/比例阀用电-机械转换器和电磁阀低功耗技术应用的角度出发,探讨了低功耗比例电-机械转换器关键技术的研究进展,分析总结了阀用电-机械转换器的结构和低功耗特点以及发展趋势。 第二章基于动铁式电-机械转换器的功能转换关系及其效率分析,概述了多种降低功耗的方法;针对典型动铁式比例电-机械转换器的结构特点,提出了低功耗策略,并在单向比例电磁铁和双向线性力马达的具体耐高压结构中得到了应用。 第三章建立了两种低功耗耐高压比例电-机械转换器的磁路分析模型,分别得出了静态输出力表达式,初步分析了结构参数或磁路参数对静态力特性的影响;建立了有限元数值分析模型,通过仿真详细阐述了结构参数的作用机理,结合磁路分析结果明确了两种低功耗耐高压比例电-机械转换器的具体结构参数,并阐述了其工作特点;分析研究了电磁机构的能量损耗组成、成因、理论计算方法以及线圈温升特性。 第四章介绍了力特性测试系统的组成、原理、误差分析和试验方法,分析了放大器性能及测试方法对测试结果的影响;基于搭建的力和位移特性测试系统,获得了两种低功耗耐高压比例电-机械转换器的静动态特性试验结果,并与仿真结果作了对比;试验研究了两种低功耗耐高压比例电-机械转换器的功耗及线圈温升特性。 第五章作为低功耗耐高压单向比例电磁铁的应用实例,研制了一种低功耗先导式溢流阀;建立了该溢流阀的仿真模型,通过仿真获得其稳态和瞬态特性,并探讨了低功耗单向比例电磁铁的结构和性能参数对溢流阀稳态特性的影响;建立了压力控制阀试验台,获得低功耗先导式溢流阀的稳态特性和瞬态特性试验结果,并与仿真结果作了对比。 第六章概括了全文的主要研究工作和成果,并展望了今后需进一步研究的工作和方向。


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