磁力復位式電磁執行器的製作方法
2023-06-02 23:43:51
專利名稱：磁力復位式電磁執行器的製作方法
技術領域：
本實用新型為磁力復位式電磁執行器，屬於機械位移電子控制技術領域。
背景技術：
位置控制有多種實現的方式，其中比例電磁鐵廣泛應用於工業設備自動控制領域。例如，現代柴油機電控系統中所用的電磁式位移執行器是用於控制燃油噴射。由於柴油機缸內混合的特徵對循環噴油量、噴油正時的精度要求很高，柴油機燃油噴射又具有高壓、高頻、脈動等特點，這使得現代柴油機電控系統在燃油噴射控制中所用的執行器的技術含量要求高，是柴油機電控技術的關鍵和難點。執行器由驅動電路、執行電器、機械或機械/液力執行機構等三部分組成。由於執行器是電控單元對被控對象實施調控的唯一機構，又與柴油機的有關部件相連，因此，除了需要很高的調節精度和調節穩定性外，還必須具有足夠的強度，良好的抗振動和抗幹擾能力。電磁式位移執行器是用電磁鐵把電能轉換成磁力，是目前應用最普遍的一種。傳統上電磁式位移執行器由電磁鐵與一個剛性彈簧組成系統，如附圖1所示，當螺線管1接到電控單元7的信號後通電產生吸力，通過改變流經電磁鐵的電流大小來改變電磁力，當電流增大時，電磁鐵產生的電磁吸力使得銜鐵4朝著靠近電磁鐵的方向運動，與此同時，彈簧2的形變量增大，彈性力相應的增加，產生與電磁力方向相反的阻力，阻礙銜鐵的運動，兩力平衡達到控制銜鐵位置的目的。同時，位移傳感器6反饋銜鐵當前的位置。
普通電磁鐵與彈簧組成的系統的力-位移特性曲線如附圖2所示。從附圖2中可以看出，如果由普通電磁鐵和彈簧組成系統，在二者力-位移特性曲線b、c相交處力達到平衡，但兩特性曲線的夾角很小，而且可能交於A、B兩點。該系統能夠自穩定的區域需要滿足以下條件在區域3內，對於增大單位位移量Δx，電磁力的減小量小於彈簧力的減小量ΔF，此時銜鐵受到的外力是方向指向平衡點A的阻力，大小也是兩者的絕對值差值。同理，在區域2內，對於減小單位位移量，阻力彈簧力的增量大於電磁力的增量，此時銜鐵所受到的外力為方向指向平衡點的阻力，大小為兩者的絕對值之差。在理想狀況下，銜鐵應該往平衡點A處回復。顯而易見，在區域1內，當有一個擾動位移B點的平衡便會被打破，而且不具備自動回復的能力，因為此時電磁鐵的吸力增加量遠遠高於彈簧彈力的增加量。因此，系統的工作區域是2、3。但是，如果考慮到實際存在的摩擦力，會發現只有電流增加量達到一定的值時，電磁力才能克服彈簧力和摩擦力之和，使得銜鐵運動。由於在一定電流下合力ΔF具有有限的最大值，當有擾動存在時，電磁力和彈簧的合力有時不足以克服摩擦力，導致銜鐵在很多位置能夠穩定。這樣的話會導致銜鐵位置不可控，改變電流會產生斷斷續續的運動，無法滿足柴油機齒杆控制的要求。為此，還需要精心設計電磁鐵的結構改變電磁特性(譬如附圖2所示的比例電磁鐵的特性曲線a)，來滿足工作行程的需要，再加PID反饋控制、增加彈簧剛度等方式實現比例電磁鐵可以增加系統的穩定性，但隨之會帶來很多問題工藝複雜，可靠性降低，有效行程減小等問題。
發明內容
為了實現比例電磁鐵的優良特性，同時避免比例電磁鐵工藝複雜，可靠性降低，有效行程減小等問題，減少普通電磁鐵與彈簧組成的系統造成的不穩定和難以控制的缺點，本實用新型針對傳統的電磁式執行器中的普通電磁鐵與彈簧難以匹配，合力位移特性非線性，從而導致控制精度和穩定性不佳的不足的問題，由一對永久磁鐵替代彈簧作為電磁鐵磁力的平衡和回復裝置在銜鐵位移方向的銜鐵導杆上及與其運動方向相對的固定座上裝有一對同樣大小、磁極相對的永久磁鐵。電磁鐵的鐵芯及銜鐵、導杆均為軟磁材料。當電磁鐵接受控制單元發出的信號產生吸力同時銜鐵發生位移時，兩塊永磁體的氣隙減小斥力增大，利用其斥力作為電磁鐵的平衡力及回復力。其位移力特性如圖3所示，曲線1是電磁鐵的力-位移特性，曲線2是永磁體的力-位移特性，兩曲線的交點A就是系統的力平衡點。可以看出，永磁體的力位移特性曲線與電磁鐵的力位移特性曲線非常相似，而且在力平衡點附近曲線2遠比曲線2陡峭，也就是說每當給定電磁鐵一個電流值電磁鐵-回位永磁體系統達到平衡後，即使產生擾動位移，系統的平衡狀態也不容易被打破。
本實用新型與現有技術相比具有結構簡單、體積小、控制方便、有足夠的輸出力和位移、靈敏度高、死區小、滯環小、響應速度快、穩態精度好、運動副靜壓平衡、輸出位移和輸入電流之間能夠保持良好的線性關係的關係等優點，與彈簧電磁鐵系統相比穩態和動態特性有明顯提高。螺線管產生的電磁力和平衡磁鐵斥力間差值的正負對應於齒杆的加減速。根據齒杆的實際位置和預定位置間的偏差量，改變輸入螺線管的電流就能精確控制齒杆的行程或位置。
圖1是採用線性螺線管的電磁位移執行器。
圖2是吸力電磁鐵與彈簧組成的系統的力-位移特性圖3是吸力電磁鐵與永磁體組成系統的力-位移特性曲線圖4是磁力復位式電磁執行器結構圖圖中1-屏蔽外殼、2-彈簧、3-線圈、4-電樞、5-齒杆、6-電控單元、7-位移傳感器、8-彈簧座、a-比例電磁鐵的特性曲線、b-普通電磁鐵的特性曲線、c-彈簧的特性曲線、A、B-兩點-彈簧和普通電磁鐵的平衡點、9-電磁鐵的吸合區、10-工作行程區、11-空行程區、ΔF-電磁鐵和回位彈簧兩個力的絕對值之和、Δx-銜鐵的位移量、12、13分別為電磁鐵、永磁體的力-位移特性曲線、D點為電磁力和永磁體斥力的平衡點、14-電磁鐵螺線管、15-永久磁鐵、16-鐵芯、17-銜鐵運動導杆、18-永久磁鐵、19-墊片具體實施方式
傳統上電磁式位移執行器由電磁鐵與一個剛性彈簧組成系統，如附圖1所示，當螺線管1接到電控單元7的信號後通電產生吸力，通過改變流經電磁鐵的電流大小來改變電磁力，當電流增大時，電磁鐵產生的電磁吸力使得銜鐵4朝著靠近電磁鐵的方向運動，與此同時，彈簧2的形變量增大，彈性力相應的增加，產生與電磁力方向相反的阻力，阻礙銜鐵的運動，兩力平衡達到控制永久磁鐵位置的目的。同時，位移傳感器7反饋永久磁鐵當前的位置。
如附圖4所示，本實用新型在傳統的彈簧彈力回位式電磁鐵的基礎上，由一對永久磁鐵18替代彈簧2作為電磁鐵磁力的平衡和回復裝置，其中一塊永久磁鐵裝在原彈簧座的位置上，另一同樣大小的永久磁鐵與前一塊永久磁鐵同磁極相對，並裝在導杆17位移方向的軸端上。電磁鐵的鐵芯16及銜鐵15、導杆17都為軟磁材料。工作時，電磁鐵的螺線管14在接到電控單元控制的電流後產生磁場，同時，銜鐵15受磁力的吸引並帶動導杆17產生位移，永久磁體18的氣隙減小，斥力增大來平衡電磁力。
權利要求1.一種磁力復位式電磁執行器，其特徵在於在銜鐵位移方向的銜鐵導杆上及與其運動方向相對的固定座上裝有一對同樣大小、磁極相對的永久磁鐵。
2.根據權利要求1所述的磁力復位式電磁執行器，其特徵在於一對永久磁鐵替代彈簧作為電磁鐵磁力的平衡和回復裝置，而且電磁鐵的鐵芯及銜鐵、導杆均為軟磁材料。
專利摘要本實用新型為磁力復位式電磁執行器，屬於機械位移電子控制技術。為了實現比例電磁鐵的優良特性，同時避免比例電磁鐵工藝複雜，可靠性降低，有效行程減小等問題，減少普通電磁鐵與彈簧組成的系統造成的不穩定和難以控制的缺點，本實用新型針對傳統的電磁式執行器中的普通電磁鐵與彈簧難以匹配，合力位移特性非線性，從而導致控制精度和穩定性不佳的不足的問題，由一對永久磁鐵替代彈簧作為電磁鐵磁力的平衡和回復裝置在銜鐵位移方向的銜鐵導杆上及與其運動方向相對的固定座上裝有一對同樣大小、磁極相對的永久磁鐵。電磁鐵的鐵芯及銜鐵、導杆均為軟磁材料。
文檔編號H01F7/122GK2779572SQ200420093200
公開日2006年5月10日 申請日期2004年9月14日 優先權日2004年9月14日
發明者劉興華, 劉福水, 白向東 申請人:北京理工大學