超磁致伸縮效應的新型液壓高速開關閥
時間：2008-4-11 14:27:04 來源：http://lypzkx.cn 作者：三精閥門 閱讀次數：2785關鍵詞：超磁致伸縮驅動器 液壓高速開關閥 研究
１ 引言
在工程機械液壓系統中采用PWM脈沖調制的數字控制具有許多顯著的優點，如易于與計算機連接，系統價格低廉、抗污染和抗干擾能力強等。但這種控制系統需要高速開關閥。目前國內外開發的一些高速開關閥，大多采用電磁鐵作為驅動器，因此閥的切換速度慢；壓電晶體型驅動器雖然提高了切換速度和頻率，但所需電壓高，消耗功率大。因此有必要研制新型的高速開關閥。
近年來，國內外對于稀土鐵化物超磁致伸縮效應的應用研究受到重視。所謂的磁致伸縮效應，是指鐵磁材料和亞鐵磁材料在磁場的作用下將導致其體積和長度發生微小變化的現象。把Ni和Co加Fe到稀土中所形成的一些化合物和非晶合金，因具有很大的磁致伸 縮系數而稱作超磁致伸縮（giant magnetostrictive material簡寫為GMM），比較有代表性的為Terfenol-D。采用這種材料制成的線性驅動器具有多種用途，其中作為液壓控制閥的電—機械轉換裝置，具有切換速度快，頻率高，能量消耗少等特點。
２ 開關閥的結構與工作原理
２．１超磁致伸縮驅動器
超磁致伸縮驅動器的結構如圖1所示。
中心的超磁致伸縮材料棒為北京科技大學產的TbDYFe（φ12×110），其下端用夾具固定，上端通過伸縮傳遞軸和彈簧給磁致伸縮材料加上預應力。磁致伸縮材料的周圍是產生驅動場的激勵線圈和冷卻線圈用的銅水管。外圍是磁軛（碳鋼），它與磁致伸縮材料一起構成封閉磁路，以防漏磁。伸縮傳遞軸等其它零件均由非磁性不銹鋼制成。超磁致伸縮材料內部應變與激勵磁場強度、材料特性常數、應力狀態等直接相關，其外部位移、力輸出實為磁場—彈性場相互耦合的結果。所以，適當配置機械和電氣的結構參數（主要是預壓縮應力和偏置磁場），可使超磁致伸縮材料處于優的機電耦合狀態，提高能量轉換效率。當采用交流電激磁時，超磁致伸縮材料在正負磁場的作用下都為伸長，其產生機械運動的頻率是外加電流頻率的兩倍，這便是所謂的“倍頻現象”。為使驅動器機械運動在線性區間，通常采用加一偏置磁場來消除此現象。但是，當驅動器采用PWM脈沖電壓激磁時，由于沒有負磁場，不會出現倍頻現象，所以不需要偏置磁場。給超磁致伸縮材料施加一合適預應力的目的，一是避免磁致伸縮材料在受拉狀態下工作；二是可以增大磁致伸縮量。根據鐵磁學理論，這是由于外加應力提高了材料的飽和磁化強度，使其飽和磁致系數提高的緣故。
２．２開關閥的結構
。通常作為液壓先導閥所需閥芯小位移不小于0.5mm。所以對超磁致伸縮驅動器輸出的位移通過一杠桿機構進行放大。位移放大的同時，閥芯的驅動力卻減小。但由于超磁致伸縮驅動器不需要彈簧復位，閥芯驅動力只需克服摩擦力即可，所以驅動力不需要很大。
開關閥是由現有的一種二位二通電磁閥改造而成的，其內部結構如圖 3 所示。
彈簧 3 的作用是消除位移放大杠桿及其它配合處的間隙，所以不需要很大的剛度系數。
３ 開關閥的特性試驗
開關閥的特性試驗主要包括磁致驅動器的靜態電流—輸出位移、輸出力及開關閥的開啟和關閉時間試驗，其原理框圖如圖4 所示。試驗在恒溫隔振的條件下進行。
３．１磁致驅動器的靜態電流—輸出位移、輸出力試驗
磁致伸縮棒的預壓力為 820N，即當輸入電流為零時，由于作用力與反作用力的相等關系，此時磁致驅動器輸出力也為 820N。當輸入電流為1550mA時，輸出力達 980N，此時位移輸出為40μm。由于材料存在著磁滯，位移和力輸出曲線在激磁電流正反向時不重合。但對于由 PWM 信號控制的開關閥，其本身就不是線形元件，所以不要求驅動器具有線性，只要求當激磁電流反向減小為0 時，驅動器的輸出位移也等于零。對于磁滯，也可以在每一個正向PWM控制信號結束時，通過程序反向加一負值電壓以消除剩磁。
３．２開關閥的開啟與關閉時間
開關閥的開啟和關閉時間對閥的靜動態性能都有重要的影響，由試驗來測定開關閥的開啟和關閉時間可通過測定其應變階躍響應進行。信號發生器給開關閥輸入一方波信號，然后通過應變測試裝置測得其響應曲線，如圖 6 所示。
由圖可知，應變響應的上升時間和下降時間基本相等且僅為 0.5ms左右，而這一時間就是開關閥的開啟和關閉時間。
４ 結束語
通過上述試驗結果可知，采用超磁致伸縮驅動器的液壓高速開關閥，可以獲得更短的切換時間和更高的開關頻率，并且功率消耗很低。因此在用于液壓系統的 PWM 控制時能夠獲得更高的控制精度和經濟效益。本文只是初步的研究，對于進一步的應用尚有一些問題需要解決，如：磁致伸縮材料的磁滯、輸出位移的放大及溫度的影響等。但應該看到這是一種很有發展前景的液壓高速開關閥。
