電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器是電液比例控制元件的關(guān)鍵驅(qū)動元件，它可將外界輸入的電壓信號連續(xù)成比例地轉(zhuǎn)換成往復(fù)直線位移，可以產(chǎn)生同尺寸結(jié)構(gòu)2.5倍的電磁力，并因其高線性和小滯環(huán)特性而受到廣泛關(guān)注。

   傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的線圈組件在運(yùn)動過程中，磁性材料內(nèi)部易產(chǎn)生渦流，使線圈產(chǎn)生的電磁力減小。同時由于線圈組件固有特性的限制，導(dǎo)致其無論是在響應(yīng)時間還是在響應(yīng)速度上都不是很快。開發(fā)高響應(yīng)和大推力的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，是電液比例控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。國內(nèi)外很多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)都對此進(jìn)行了研究。本文針對載流線圈，采用新型線圈分割并以串并聯(lián)組合方式進(jìn)行對比分析，通過改變電阻及時間常數(shù)以減少線圈兩端的加載響應(yīng)時間，可以大大提升動圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器響應(yīng)特性和輸出電磁力。

結(jié)構(gòu)與原理

   擬研究的動圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器主要由永磁鐵、載流線圈、推力線圈骨架、銜鐵、殼體、導(dǎo)向銷、保護(hù)蓋和輸出軸等組成，具體見圖1。殼體內(nèi)壁圓周上固連有若干片環(huán)形分布的瓦型永磁體，銜鐵位于環(huán)形分布的永磁體內(nèi)，且與殼體的一端用螺釘固連。載流線圈纏繞在推力線圈骨架上，并與輸出軸相連，通過一導(dǎo)向銷，浮動于永磁體與銜鐵之間的氣隙內(nèi)，并通過密封碗與外界隔開。

1－永磁體;2－殼體;3－螺釘;4－銜鐵;5－接線端;6－線圈;

7－保護(hù)蓋;8－線圈骨架;9－密封碗;10－輸出軸;11－導(dǎo)向銷

圖1動圈式直線電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

   控制原理如圖2所示，輸入信號電壓ui經(jīng)放大器處理后，加載到控制線圈，連同推力線圈骨架在永磁體提供的恒定磁場中，受電磁力Fcd作用而產(chǎn)生位移xc，從而帶動輸出軸一起運(yùn)動。動圈組件由位移傳感器檢測位置誤差，然后轉(zhuǎn)換成信號電壓，補(bǔ)償?shù)捷斎胄盘杣i，作為糾偏電壓ue，以保證動圈組件保持在所需要的正確位置。電磁力的大小和方向，取決于線圈中控制電流i的大小和方向。

圖2電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器控制原理

線圈組設(shè)計(jì)

   目前常用的線圈繞線方式為單線圈式，響應(yīng)速度及電磁推力提升有限，難以滿足現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和高效快速的要求。文中將原線圈平均分為多段，構(gòu)成并聯(lián)線圈組件，可大大減少線圈能耗，而且能滿足大輸出力和高頻響應(yīng)性的要求。

   在單線圈輸入電流I不變的情況下，電磁鐵的響應(yīng)時間t：

t=-T1n（1-RI/U）                               （1）

   其中，I為電流（A）；U為電壓（V）；R為線圈電阻（Ω）；L為線圈電感（H）；T＝L／R為時間常數(shù)（s）。

   由于輸入電壓一定時，線圈的電阻、電感影響整個電路的時間常數(shù)和電流大小，因此只要改變電阻和電感大小就可以實(shí)現(xiàn)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出力及響應(yīng)時間。

   通過分析線圈尺寸和線圈阻抗之間的關(guān)系，可知線圈電感與電機(jī)線圈（繞線部分）長度、直徑及線圈匝數(shù)的平方成正比。為了達(dá)到高響應(yīng)，在設(shè)計(jì)時必須降低線圈電感。

   電感量Li表示線圈本身固有特性，與電流大小無關(guān)，其表達(dá)式如下：

Li=CiN2Dix10-3                                 （2）

   其中，Ci為系數(shù)，與線圈（繞線部分）長度li及直徑Di有關(guān)；Nc為線圈匝數(shù)；Di為線圈直徑，單位：m。

   通過分割長線圈改變?yōu)槎叹€圈組，保持電機(jī)尺寸參數(shù)一定，改變線圈的匝數(shù)調(diào)整線圈電阻值和電氣時間常數(shù)。

   通過輸入控制信號操作電機(jī)控制電路板驅(qū)動電路分別控制串、并聯(lián)電路電子開關(guān)S1、S2、S3、S4的連通和斷開，實(shí)現(xiàn)組合線圈的串聯(lián)、并聯(lián)動作。對該電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器裝置切換后整個電路中線圈的電感L和電阻R的進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3線圈電路示意圖

   串聯(lián)電路中，如圖3（a）串聯(lián)環(huán)境下，假設(shè)：

   ①S1電路：開關(guān)K1、K2、K3、K4閉合，電感LS1，電阻RS1；

   ②S2電路：開關(guān)K1、K3、K4閉合，K2斷開，電感LS2，電阻RS2；

   ③S3電路：開關(guān)K1、K4閉合，K2、K3斷開，電感LS3，電阻RS3；

   ④S4電路：開關(guān)K1閉合，K2、K3、K4斷開，電感LS4，電阻RS4；

   采用并列式繞線方式的串聯(lián)環(huán)境下，兩線圈組耦合系數(shù)為1，串聯(lián)線圈組的電感L、電阻R分別為：

        （3）

   并聯(lián)電路中，如圖3（b）并聯(lián)環(huán)境下，假設(shè)：

   ①P1電路：開關(guān)K1閉合，開關(guān)K2、K3、K4斷開，電感LP1，電阻RP1；

   ②P2電路：開關(guān)K1、K2閉合，開關(guān)K3、K4斷開，電感LP2，電阻RP2；

   ③P3電路：開關(guān)K1、K2、K3閉合，開關(guān)K4斷開，電感LP3，電阻RP3；

   ④P4電路：開關(guān)K1、K2、K3、K4閉合，電感LP4，電阻RP4；

圖4傳遞函數(shù)框圖

   采用并列式繞線方式的并聯(lián)環(huán)境下，不考慮互感，則線圈組的電感L、電阻R分別為：

       （4）

   平均分割后的線圈組件串聯(lián)線圈組阻抗增加，線圈組件并聯(lián)線圈組阻抗減少。

建模與仿真階躍響應(yīng)分析

   在工作氣隙內(nèi)，根據(jù)載流控制線圈在均勻磁場中的受力，可得動圈組件空載力特性，如下：

                                             （7）

   其中，Ki為電流力增益系數(shù)（N/A）；i為線圈電流（A）；Bg為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；Dc為線圈平均直徑（m）；Nc為線圈繞線匝數(shù)。

   已知，聯(lián)合公式（5）可得：

        （8）

   其中，串聯(lián)狀態(tài)：

       （9）

   并聯(lián)狀態(tài)：

       （10）

   其中，Di為第i組線圈組件的直徑；ρ為線圈組件的電阻率；A為線圈組件的導(dǎo)線截面積。結(jié)合上式可建立圖4所示的傳遞函數(shù)框圖。對四種串聯(lián)結(jié)構(gòu)的線圈組的兩端，分別加載電壓U＝1V，通過MATLAB仿真，分別得到各自線圈組特性曲線。圖5為四種串聯(lián)結(jié)構(gòu)的串聯(lián)線圈組兩端電壓隨時間變化曲線，設(shè)tr為響應(yīng)達(dá)到最值時刻的時間：tr1＝1.02ms，tr2＝2.03ms，tr3＝3.06ms，tr4＝4.21ms。其中，S1的響應(yīng)速度最快，S4的響應(yīng)速度最慢，但最后都到達(dá)同一穩(wěn)定狀態(tài)并保持不變。

圖5串聯(lián)線圈組兩端電壓變化曲線

   圖6為四種串聯(lián)結(jié)構(gòu)的串聯(lián)線圈組安培力隨時間變化曲線。由圖可知，四種串聯(lián)結(jié)構(gòu)的串聯(lián)線圈組安培力F（t）響應(yīng)具有不同的速度變化。其中，在tr1＝1.02ms時，F(xiàn)1＝17.2N、F2＝16.6N、F3＝15.2N、F4＝13.6N?？梢?，S1的響應(yīng)速度最快，而S4的響應(yīng)速度最慢，但最終四種串聯(lián)結(jié)構(gòu)都基本達(dá)到17.3N的最值。

圖6串聯(lián)線圈組電磁力變化曲線

   圖7為四種結(jié)構(gòu)的串聯(lián)線圈組加速度a（t）響應(yīng)隨時間變化曲線。由圖可知，S1的響應(yīng)速度最快，其加速度值能達(dá)到1.72g（1.02ms）；S4的響應(yīng)速度最慢，其最后到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)并保持在1.73g左右（3.06ms）。其中，當(dāng)tr1＝1.02ms時，a1＝1.72g、a2＝1.66g、a3＝1.52g、a4＝1.36g，與圖6的分析結(jié)果吻合。

圖7  串聯(lián)線圈組加速度變化曲線

    同理，分別得到各自并聯(lián)線圈組的特性曲線。四種結(jié)構(gòu)的并聯(lián)線圈組兩端電壓U（t）隨時間變化，在允許的誤差范圍內(nèi)（小于0.2×10－3s），四種不同并聯(lián)結(jié)構(gòu)的并聯(lián)線圈組兩端電壓隨響應(yīng)時間變化曲線擬合，其上升時間tr與單組線圈響應(yīng)時間曲線基本一致。

結(jié)論

   在響應(yīng)時間不變的情況下，串聯(lián)環(huán)境下均勻分割的線圈組件由串聯(lián)1組到4組串聯(lián)，其載流響應(yīng)時間增大到了約3倍；并聯(lián)環(huán)境下，線圈組件線圈組并聯(lián)組件數(shù)增到4組，總電阻減少，電阻線圈長度增加，電流增大，在其線圈加載響應(yīng)速度與單圈線圈組件加載響應(yīng)速度基本一致的情況下，理論上其電磁力增大到原來的16倍，加速度達(dá)到27.64g，能夠?qū)崿F(xiàn)高響應(yīng)特性和大推力控制效果。