CN2779572Y - 磁力复位式电磁执行器 - Google Patents

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刘兴华
刘福水
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Abstract

本实用新型为磁力复位式电磁执行器，属于机械位移电子控制技术。为了实现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，本实用新型针对传统的电磁式执行器中的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的不足的问题，由一对永久磁铁替代弹簧作为电磁铁磁力的平衡和回复装置：在衔铁位移方向的衔铁导杆上及与其运动方向相对的固定座上装有一对同样大小、磁极相对的永久磁铁。电磁铁的铁芯及衔铁、导杆均为软磁材料。

Description

磁力复位式电磁执行器
技术领域
本实用新型为磁力复位式电磁执行器，属于机械位移电子控制技术领域。
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所示，当螺线管1接到电控单元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
为了实现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，本实用新型针对传统的电磁式执行器中的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的不足的问题，由一对永久磁铁替代弹簧作为电磁铁磁力的平衡和回复装置：在衔铁位移方向的衔铁导杆上及与其运动方向相对的固定座上装有一对同样大小、磁极相对的永久磁铁。电磁铁的铁芯及衔铁、导杆均为软磁材料。当电磁铁接受控制单元发出的信号产生吸力同时衔铁发生位移时，两块永磁体的气隙减小斥力增大，利用其斥力作为电磁铁的平衡力及回复力。其位移力特性如图3所示，曲线1是电磁铁的力-位移特性，曲线2是永磁体的力-位移特性，两曲线的交点A就是系统的力平衡点。可以看出，永磁体的力位移特性曲线与电磁铁的力位移特性曲线非常相似，而且在力平衡点附近曲线2远比曲线2陡峭，也就是说每当给定电磁铁一个电流值电磁铁-回位永磁体系统达到平衡后，即使产生扰动位移，系统的平衡状态也不容易被打破。
本实用新型与现有技术相比具有结构简单、体积小、控制方便、有足够的输出力和位移、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的关系等优点，与弹簧电磁铁系统相比稳态和动态特性有明显提高。螺线管产生的电磁力和平衡磁铁斥力间差值的正负对应于齿杆的加减速。根据齿杆的实际位置和预定位置间的偏差量，改变输入螺线管的电流就能精确控制齿杆的行程或位置。
附图说明
图1是采用线性螺线管的电磁位移执行器。
图2是吸力电磁铁与弹簧组成的系统的力-位移特性
图3是吸力电磁铁与永磁体组成系统的力-位移特性曲线
图4是磁力复位式电磁执行器结构图
图中：1-屏蔽外壳、2-弹簧、3-线圈、4-电枢、5-齿杆、6-电控单元、7-位移传感器、8-弹簧座、a-比例电磁铁的特性曲线、b-普通电磁铁的特性曲线、c-弹簧的特性曲线、A、B-两点-弹簧和普通电磁铁的平衡点、9-电磁铁的吸合区、10-工作行程区、11-空行程区、ΔF-电磁铁和回位弹簧两个力的绝对值之和、Δx-衔铁的位移量、12、13分别为电磁铁、永磁体的力-位移特性曲线、D点为电磁力和永磁体斥力的平衡点、14-电磁铁螺线管、15-永久磁铁、16-铁芯、17-衔铁运动导杆、18-永久磁铁、19-垫片
具体实施方式
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所示，当螺线管1接到电控单元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，两力平衡达到控制永久磁铁位置的目的。同时，位移传感器7反馈永久磁铁当前的位置。
如附图4所示，本实用新型在传统的弹簧弹力回位式电磁铁的基础上，由一对永久磁铁18替代弹簧2作为电磁铁磁力的平衡和回复装置，其中一块永久磁铁装在原弹簧座的位置上，另一同样大小的永久磁铁与前一块永久磁铁同磁极相对，并装在导杆17位移方向的轴端上。电磁铁的铁芯16及衔铁15、导杆17都为软磁材料。工作时，电磁铁的螺线管14在接到电控单元控制的电流后产生磁场，同时，衔铁15受磁力的吸引并带动导杆17产生位移，永久磁体18的气隙减小，斥力增大来平衡电磁力。

Claims (2)

1.一种磁力复位式电磁执行器，其特征在于：在衔铁位移方向的衔铁导杆上及与其运动方向相对的固定座上装有一对同样大小、磁极相对的永久磁铁。
2.根据权利要求1所述的磁力复位式电磁执行器，其特征在于一对永久磁铁替代弹簧作为电磁铁磁力的平衡和回复装置，而且电磁铁的铁芯及衔铁、导杆均为软磁材料。
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