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   電-機械轉換器是電液比例控制元件的關鍵驅動元件，它可將外界輸入的電壓信號連續成比例地轉換成往復直線位移，可以產生同尺寸結構2.5倍的電磁力，并因其高線性和小滯環特性而受到廣泛關注。

   傳統結構的線圈組件在運動過程中，磁性材料內部易產生渦流，使線圈產生的電磁力減小。同時由于線圈組件固有特性的限制，導致其無論是在響應時間還是在響應速度上都不是很快。開發高響應和大推力的電-機械轉換器，是電液比例控制技術的發展趨勢。國內外很多學者和研究機構都對此進行了研究。本文針對載流線圈，采用新型線圈分割并以串并聯組合方式進行對比分析，通過改變電阻及時間常數以減少線圈兩端的加載響應時間，可以大大提升動圈式電-機械轉換器響應特性和輸出電磁力。

結構與原理

   擬研究的動圈式電-機械轉換器主要由永磁鐵、載流線圈、推力線圈骨架、銜鐵、殼體、導向銷、保護蓋和輸出軸等組成，具體見圖1。殼體內壁圓周上固連有若干片環形分布的瓦型永磁體，銜鐵位于環形分布的永磁體內，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，通過一導向銷，浮動于永磁體與銜鐵之間的氣隙內，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－保護蓋;8－線圈骨架;9－密封碗;10－輸出軸;11－導向銷

圖1動圈式直線電機結構圖

   控制原理如圖2所示，輸入信號電壓ui經放大器處理后，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作用而產生位移xc，從而帶動輸出軸一起運動。動圈組件由位移傳感器檢測位置誤差，然后轉換成信號電壓，補償到輸入信號ui，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-機械轉換器控制原理

線圈組設計

   目前常用的線圈繞線方式為單線圈式，響應速度及電磁推力提升有限，難以滿足現節能環保和高效快速的要求。文中將原線圈平均分為多段，構成并聯線圈組件，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（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和電流大小，因此只要改變電阻和電感大小就可以實現電-機械轉換器的輸出力及響應時間。

   通過分析線圈尺寸和線圈阻抗之間的關系，可知線圈電感與電機線圈（繞線部分）長度、直徑及線圈匝數的平方成正比。為了達到高響應，在設計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，其表達式如下：

Li=CiN2Dix10-3                                 （2）

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

   通過分割長線圈改變為短線圈組，保持電機尺寸參數一定，改變線圈的匝數調整線圈電阻值和電氣時間常數。

   通過輸入控制信號操作電機控制電路板驅動電路分別控制串、并聯電路電子開關S1、S2、S3、S4的連通和斷開，實現組合線圈的串聯、并聯動作。對該電-機械轉換器裝置切換后整個電路中線圈的電感L和電阻R的進行分析，如圖3所示。

圖3線圈電路示意圖

   串聯電路中，如圖3（a）串聯環境下，假設：

   ①S1電路：開關K1、K2、K3、K4閉合，電感LS1，電阻RS1；

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

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

   ④S4電路：開關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環境下，兩線圈組耦合系數為1，串聯線圈組的電感L、電阻R分別為：

        （3）

   并聯電路中，如圖3（b）并聯環境下，假設：

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

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

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

   ④P4電路：開關K1、K2、K3、K4閉合，電感LP4，電阻RP4；

圖4傳遞函數框圖

   采用并列式繞線方式的并聯環境下，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線圈組阻抗增加，線圈組件并聯線圈組阻抗減少。

建模與仿真階躍響應分析

   在工作氣隙內，根據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（N/A）；i為線圈電流（A）；Bg為氣隙磁感應強度（T）；Dc為線圈平均直徑（m）；Nc為線圈繞線匝數。

   已知，聯合公式（5）可得：

        （8）

   其中，串聯狀態：

       （9）

   并聯狀態：

       （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為線圈組件的導線截面積。結合上式可建立圖4所示的傳遞函數框圖。對四種串聯結構的線圈組的兩端，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為四種串聯結構的串聯線圈組兩端電壓隨時間變化曲線，設tr為響應達到最值時刻的時間：tr1＝1.02ms，tr2＝2.03ms，tr3＝3.06ms，tr4＝4.21ms。其中，S1的響應速度最快，S4的響應速度最慢，但最后都到達同一穩定狀態并保持不變。

圖5串聯線圈組兩端電壓變化曲線

   圖6為四種串聯結構的串聯線圈組安培力隨時間變化曲線。由圖可知，四種串聯結構的串聯線圈組安培力F（t）響應具有不同的速度變化。其中，在tr1＝1.02ms時，F1＝17.2N、F2＝16.6N、F3＝15.2N、F4＝13.6N。可見，S1的響應速度最快，而S4的響應速度最慢，但最終四種串聯結構都基本達到17.3N的最值。

圖6串聯線圈組電磁力變化曲線

   圖7為四種結構的串聯線圈組加速度a（t）響應隨時間變化曲線。由圖可知，S1的響應速度最快，其加速度值能達到1.72g（1.02ms）；S4的響應速度最慢，其最后到達穩定狀態并保持在1.73g左右（3.06ms）。其中，當tr1＝1.02ms時，a1＝1.72g、a2＝1.66g、a3＝1.52g、a4＝1.36g，與圖6的分析結果吻合。

圖7  串聯線圈組加速度變化曲線

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

結論

   在響應時間不變的情況下，串聯環境下均勻分割的線圈組件由串聯1組到4組串聯，其載流響應時間增大到了約3倍；并聯環境下，線圈組件線圈組并聯組件數增到4組，總電阻減少，電阻線圈長度增加，電流增大，在其線圈加載響應速度與單圈線圈組件加載響應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，加速度達到27.64g，能夠實現高響應特性和大推力控制效果。