CN1588586A - 斥力式电磁位移执行系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种斥力式电磁位移执行器，属于机械电子领域，特别是在位置控制方面的应用。本发明中采用磁铁异性相斥的原理制成斥力式电磁铁执行器，使电磁执行器中的定螺线管通电后产生的磁场与衔铁的磁场同极端相对，从而产生斥力，以此来推动衔铁运动，压缩回位弹簧或其它平衡回位装置达到平衡，很好地解决了合力位移特性非线性的问题，从而增强了它的控制精度和稳定性。而本发明中的运动衔铁所用材料为软磁材料，磁体和螺线管都可。既实现了比例电磁铁的优良特性，同时避免比例电磁铁工艺复杂，可靠性降低，有效行程减小等问题，减少普通电磁铁与弹簧组成的系统造成的不稳定和难以控制的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及一种斥力式电磁位移执行器，属于机械电子领域，特别是在位置控制方面的应用。
背景技术
位置控制有多种实现的方式，其中比例电磁铁广泛应用于工业设备自动控制领域。例如，现代柴油机电控系统中所用的电磁式位移执行器是用于控制燃油喷射。由于柴油机缸内混合的特征对循环喷油量、喷油正时的精度要求很高，柴油机燃油喷射又具有高压、高频、脉动等特点，这使得现代柴油机电控系统在燃油喷射控制中所用的执行器的技术含量要求高，是柴油机电控技术的关键和难点。执行器由驱动电路、执行电器、机械或机械/液力执行机构等三部分组成。由于执行器是电控单元对被控对象实施调控的唯一机构，又与柴油机的有关部件相连，因此，除了需要很高的调节精度和调节稳定性外，还必须具有足够的强度，良好的抗振动和抗干扰能力。电磁式位移执行器是用电磁铁把电能转换成磁力，是目前应用最普遍的一种。传统上电磁式位移执行器由电磁铁与一个刚性弹簧组成系统(如附图1)，当螺线管1接到垫空单元7的信号后通电产生吸力，通过改变流经电磁铁的电流大小来改变电磁力，当电流增大时，电磁铁产生的电磁吸力使得衔铁4朝着靠近电磁铁的方向运动，与此同时，弹簧2的形变量增大，弹性力相应的增加，产生与电磁力方向相反的阻力，阻碍衔铁的运动，两力平衡达到控制衔铁位置的目的。同时，位移传感器6反馈衔铁当前的位置。
普通电磁铁与弹簧组成的系统的力-位移特性曲线如附图2所示。从附图2中可以看出，如果由普通吸力电磁铁和弹簧组成系统，在二者力-位移特性曲线b、c相交处力达到平衡，但两特性曲线的夹角很小，而且可能交于A、B两点。该系统能够自稳定的区域需要满足以下条件：在区域3内，对于增大单位位移量Δx，电磁力的减小量小于弹簧力的减小量ΔF，此时衔铁受到的外力是方向指向平衡点A的阻力，大小也是两者的绝对值差值。同理，在区域2内，对于减小单位位移量，阻力弹簧力的增量大于电磁力的增量，此时衔铁所受到的外力为方向指向平衡点的阻力，大小为两者的绝对值之差。在理想状况下，衔铁应该往平衡点A处回复。显而易见，在区域1内，当有一个扰动位移B点的平衡便会被打破，而且不具备自动回复的能力，因为此时电磁铁的吸力增加量远远高于弹簧弹力的增加量。因此，系统的工作区域是2、3。但是，如果考虑到实际存在的摩擦力，会发现只有电流增加量达到一定的值时，电磁力才能克服弹簧力和摩擦力之和，使得衔铁运动。由于在一定电流下合力ΔF具有有限的最大值，当有扰动存在时，电磁力和弹簧的合力有时不足以克服摩擦力，导致衔铁在很多位置能够稳定。这样的话会导致衔铁位置不可控，改变电流会产生断断续续的运动，无法满足柴油机齿杆控制的要求。为此，还需要精心设计电磁铁的结构改变电磁特性(譬如附图2所示的比例电磁铁的特性曲线a)，来满足工作行程的需要，再加PID反馈控制、增加弹簧刚度等方式实现比例电磁铁可以增加系统的稳定性，但随之会带来很多问题：工艺复杂，可靠性降低，有效行程减小等问题。
发明内容
传统的电磁式执行器中，采取的执行原理是吸力原理，它会导致普通电磁铁与弹簧难以匹配，合力-位移特性非线性，从而导致控制精度和稳定性不佳等问题，而本发明中采用磁铁异性相斥的原理制成斥力式电磁铁执行器，使电磁执行器中的定螺线管通电后产生的磁场与衔铁的磁场同极端相对，从而产生斥力，以此来推动衔铁运动，压缩回位弹簧或其它平衡回位装置达到平衡，很好的解决了合力位移特性非线性的问题，从而增强了它的控制精度和稳定性。而本发明中的运动衔铁所用材料为软磁材料，磁体和螺线管都可，基本结构与附图1所示相同。
本发明运行模式为：以弹簧或以两块永久磁铁取代弹簧产生平衡力，两块永久磁铁一块装在衔铁导杆的力输出端，另一块与之同磁极相对装在固定座上，弹簧的弹力或永久磁铁之间的斥力平衡电磁铁的斥力。此时电磁铁螺线管与衔铁之间产生的是斥力，推动衔铁产生位移，同时弹簧的弹力使得衔铁有向电磁铁靠近的趋势，或者回位磁铁间的气隙减小，斥力增大，阻碍衔铁的运动从而达到平衡。电磁铁产生的电磁斥力和复位磁铁斥力或弹簧弹力间差值的正负对应于齿杆的加减速。其位移力特性如附图3所示，平衡位置为电磁铁特性曲线a与弹簧回复力曲线c的交点，或者是电磁铁的特性曲线a与回位磁铁的特性曲线的交点。此时交点唯一，且曲线a、c交角较大，当衔铁在平衡位置受到扰动时，一个力增大，另一个减小，两者的合力是两个力的绝对值之和ΔF，且ΔF比摩擦阻力大到足以使得摩擦阻力可以忽略不计。在这种原理下，系统既使遇到扰动，也能在合力ΔF的作用下回到平衡位置。该斥力式电磁位移执行器有三种基本方式可以实现：1、电磁铁主要由两个螺线管组成，固定螺线管的铁芯和作为衔铁的动螺线管的导杆都为软材料。当定螺线管和动螺线管的电流方向相反时，相对端极性相同便形成斥力；2、电磁铁由定螺线管和动衔铁组成，其中定螺线管的铁芯用软磁材料，衔铁用永磁体制成，而衔铁的导杆则采用非导磁材料。将螺线管通电后产生的磁场与衔铁的磁场同极相对，其间产生斥力；3、电磁铁由定螺线管和动衔铁组成，螺线管的铁芯和衔铁都用永磁体制成，衔铁的导杆采用非导磁材料。将螺线管产生的磁场与衔铁的磁场同极相对，当给螺线管通电后电磁铁产生斥力。上诉3种模式都会使衔铁产生运动并带动导杆产生位移，压迫回位装置，产生平衡力。
本发明的优点是：该斥力式电磁位移执行器具有结构简单、体积小、对油质污染不敏感、价格低廉、有较大的功率重量比，可以输出较大的位移和力、可靠性高、控制方便、灵敏度高、死区小、滞环小、响应速度快、稳态精度好、运动副静压平衡、输出位移和输入电流之间能够保持良好的线性关系，与弹簧-吸力电磁铁系统相比稳态和动态特性有明显提高。
附图说明
图1是采用线性螺线管的电磁位移执行器。其中，1是屏蔽外壳，2是弹簧，3是线圈，4是齿杆，5是电枢，6是电控单元，7是位移传感器。
图2是吸力电磁铁与弹簧组成的系统的力-位移特性。其中，a是比例电磁铁的特性曲线；b是普通电磁铁的特性曲线；c是弹簧的特性曲线；A、B两点是弹簧和普通电磁铁的平衡点，两点处曲线夹角较小，合力亦小，故不宜平衡，尤其在B点电磁铁很容易吸合；1是电磁铁的吸合区；2是工作行程区；3是空行程区；ΔF是电磁铁和回位弹簧两个力的绝对值之和；Δx是衔铁的位移量。
图3是斥力电磁铁与弹簧或永磁体组成系统的力-位移特性曲线。其中，a、b、c分别为斥力电磁铁、永磁体、弹簧的力-位移特性曲线；ΔF是电磁力与回复力之差；Δx是衔铁的位移量。
图4是一种斥力式电磁铁位移执行器的实施方案简图。其中，定螺线管5和动螺线管1构成电磁铁。6是动螺线管的运动导杆。2是两螺线管的气隙垫片。3和7是电磁铁斥力平衡弹簧。在图中，当系统运转时，3或7任使用一种即可，而且，3或7还可以用两块同极性相对的永磁体来代替，这两块永磁铁在图中用4、8表示，当4、8之间气隙减小时其斥力增大，以平衡电磁斥力。9为屏蔽外壳。
具体实施方式
本发明结合附图说明4，描述具体实施方式如下：
斥力式电磁位移执行器有三种基本方式可以实现：
1、电磁铁主要由两个螺线管组成，如附图4所示。固定螺线管5的铁芯和作为衔铁的动螺线管1的导杆都为软材料。螺线管5和屏蔽外壳9固定，在衔铁运动方向末端装回位弹簧或回位磁铁。回位弹簧装在衔铁的力输出杆末端和固定座之间；回位磁铁是由两块同极性端相对的永磁体构成，一块装在衔铁的力输出杆末端，另一块装在与之相对的固定座上。当固定螺线管5和动螺线管1的电流方向相反时，相对端极性相同量螺线管之间便产生斥力，使动螺线管1产生运动并带动导杆6产生位移，压迫回位弹簧3或拉动弹簧7，再或使回位磁铁4、8间的气隙减小，都可产生平衡力，使衔铁稳定在预定的位置上。
2、电磁铁由定螺线管5和动衔铁1组成，如附图4所示。定螺线管5固定在屏蔽外壳上，其铁芯用软磁材料，衔铁1用永磁体制成，而衔铁的导杆6则采用非导磁材料。使螺线管5通电后产生的磁场与衔铁1的磁场同极相对，其间产生斥力，使衔铁1产生运动并带动导杆6产生位移，压迫回位弹簧3或拉动弹簧7或者使回位磁铁4、8间的气隙减小，产生的弹力或磁斥力平衡点磁铁的斥力。在衔铁1运动方向末端装回位弹簧7或回位磁铁3。回位弹簧3、7装在衔铁的力输出杆末端和固定座之间；回位磁铁4、8是由两块同极性端相对的永磁体构成，一块装在衔铁的力输出杆末端，另一块装在与之相对的固定座上。当电控单元输出一定信号时，两螺线管之间的斥力使动螺线管产生位移，压缩弹簧或使回位磁铁的气隙减小，产生平衡力，使衔铁稳定在预定的位置上。
3、电磁铁由定螺线管5和动衔铁1组成，如附图4所示。螺线管5固定在屏蔽外壳上，5的铁芯和衔铁1都用永磁体制成，衔铁1和导杆6装配为一体，导杆6采用非导磁材料。使螺线管产生的磁场与衔铁的磁场同极相对，当给螺线管5通电后电磁铁产生斥力，使衔铁1产生运动并带动导杆6产生位移，压迫回位弹簧3或拉动弹簧7或者使回位磁铁4、8间的气隙减小，产生平衡力。在衔铁运动方向末端装回位弹簧或回位磁铁。回位弹簧3、7装在衔铁的力输出杆末端和固定座之间；回位磁铁是由两块同极性端相对的永磁体构成，一块装在衔铁的力输出杆末端，另一块装在与之相对的固定座上。当电控单元输出一定信号时，两螺线管之间的斥力使动螺线管产生一定的位移，压缩弹簧或使回位磁铁的气隙减小，产生平衡力，使衔铁稳定在预定的位置上。
Claims (3)
1.本实用新型涉及一种斥力式电磁位移执行器，属于机械位移电子控制技术，本发明中采用磁铁异性相斥的原理制成斥力式电磁铁执行器，使电磁执行器中的定螺线管通电后产生的磁场与衔铁的磁场同极端相对，从而产生斥力，以此来推动衔铁运动，压缩回位弹簧或其它平衡回位装置达到平衡。
2.如权利要求1所述的一种磁力复位式电磁执行器的运行模式为：以弹簧或以两块永久磁铁取代弹簧产生平衡力，两块永久磁铁一块装在衔铁导杆的力输出端，另一块与之同磁极相对装在固定座上，弹簧的弹力或永久磁铁之间的斥力平衡电磁铁的斥力。
3.如权利要求1所述的一种磁力复位式电磁执行器有三种基本方式可以实现：a.电磁铁主要由两个螺线管组成，固定螺线管的铁芯和作为衔铁的动螺线管的导杆都为软材料。当定螺线管和动螺线管的电流方向相反时，相对端极性相同便形成斥力；b.电磁铁由定螺线管和动衔铁组成，其中定螺线管的铁芯用软磁材料，衔铁用永磁体制成，而衔铁的导杆则采用非导磁材料。将螺线管通电后产生的磁场与衔铁的磁场同极相对，其间产生斥力；c.电磁铁由定螺线管和动衔铁组成，螺线管的铁芯和衔铁都用永磁体制成，衔铁的导杆采用非导磁材料。将螺线管产生的磁场与衔铁的磁场同极相对，当给螺线管通电后电磁铁产生斥力。上诉3种模式都会使衔铁产生运动并带动导杆产生位移，压迫回位装置，产生平衡力。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100505 Termination date: 20130914 |