第五章电-机械转换元件1

当有信号电流通过线圈时：
控制线圈产生控制磁通，其大小和方向取 决于信号电流的大小和方向。
永磁动铁力矩马达原理图
1－放大器 2－上导磁体 3－永久磁铁 4－衔铁 5－下导磁体 6－弹簧管 7－永久磁铁
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5.2 动铁式力矩马达
假设，在气隙①、③中控制磁通与极化 磁通方向相同，而在气隙②、④中控制 磁通与极化磁通方向相反。因此气隙①、 ③中的合成磁通大于气隙②、④中的合 成磁通，于是在衔铁上产生顺时针方向 的电磁力矩，使衔铁绕弹簧管转动中心 顺时针方向转动。
i2 I0 i
i1——每个线圈中的电流； i2——每个线圈中的常值电流； ｉ——每个线圈中的信号电流。
两个线圈中的差动电流为
i i1 i2 2i ic
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永磁动铁力矩马达原理图
1－放大器 2－上导磁体 3－永久磁铁 4－衔铁 5－下导磁体 6－弹簧管 7－永久磁铁
i1
5.2 动铁式力矩马达
假定磁性材料和非工作气隙的磁阻可以忽略不计，只考虑四个
工作气隙的磁阻，则力矩马达的磁路可用等效磁路表示。
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i1
5.2 动铁式力矩马达
当衔铁处于中位时，每个工作气隙的磁阻为
Rg
式中
lg
0 Ag
lg ——磁铁在中位时每个气隙的长度；
Ag ——磁极面的面积；
0 ——空气导磁率， 0 4 107 Wb / mA 。
d 2 d Td J a 2 Ba K a TL dt dt J A 衔铁及任何加于其上的负载转运惯量； Ba 衔铁的机械和负载的粘性阻尼系数； K a 衔铁转轴的机械扭转弹簧刚度； TL 作用在衔铁上的任意负载力矩。
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5.2 动铁式力矩马达
d 2 xv dxv F mc B K C xv c 2 dt dt
动圈式力马达 1－永久磁铁 2－调整螺钉3－平衡弹簧 4－动圈
5.1 动圈式力马达
将前面公式分别进行拉氏变换： 从电流输入到输出位移的传递函数为：
uEg E R C rP I LSI E B g DN C Sxv F ki I F mc S 2 xv BC Sxv K C xv
i1
5.2 动铁式力矩马达
假定：力矩马达的两个控制线圈由一个推挽放大器供电1， 放大器中的常值电压在每个控制线圈中产生的常值电流 大小相等方向相反，因此在衔铁上不产生电磁力矩。 当放大器有输入电压时 ，将使一个控制线圈中的 电流增加，另一个控制线圈中的电流减少，两个 线圈中的电流分别为：
i1 I 0 i
第五章
电-机械转换元件
5.1 动圈式力马达 5.2动铁式力马达 5.3直流比例电磁铁 5.4控制用电动机简介
概述

电-机械转换元件的作用：是将电气装置输入 的电信号转换为机械量：力矩和位移：F(T)、S。

位置：在电液伺服系统中，作为电液控制元件的
前置级，其稳态控制精度和动态响应性能以及抗 干扰能力和工作的可靠性，直接关系到整个系统 的控制精度和响应速度，也直接影响到系统工作 的可靠性和寿命。
将前面公式合并整理，得力马达动态基本方程：
xv s 2 I s S w2 c
ki Kc 2 c s 1 wc
其中：线圈组件的固有频率：
ki I mc S 2 xv BC Sxv K C xv
wc
kc mc Bc 2 K c mc
c
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5.1 动圈式力马达
2
a K m ——力矩马达的中位磁弹簧刚度， K m 4 l g 返回子目录
5.2 动铁式力矩马达
由于在力矩马达设计中通常满足（x/g）2＜＜１且

c / g ＜＜ 1 2
以改善其线性度、稳定性和防止衔铁被永久吸附，则
Td K m k t i
应用牛顿第二定律，得衔铁力矩平衡方程：
衔铁在磁场中所受电磁吸力可按马克斯威尔公式计算
c ——衔铁在中位时气隙的控制磁通，
衔铁在磁场中所受电磁吸力可按马克斯威尔公式计算 式中 F ——电磁吸力； ——气隙中的磁通；
Ag ——磁极面的面积。
2 F 20 Ag
5.2 动铁式力矩马达
由控制磁通和极化磁通相互作用在磁铁上产生的电磁力矩为 Td 2a F1 F4 式中， a 是衔铁转动中心到磁极面中心的距离； F1 、 F4 是气隙①、④处的电磁吸 力。考虑到气隙②、③处也产生同样的电磁力矩，所以乘以二倍。电磁力矩可进 一步写成
动圈式力马达 1－永久磁铁 2－调整螺钉3－平衡弹簧 4－动圈
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5.1 动圈式力马达
di ue g e RC rc i L dt
dxv e Bg DN C dt
动圈式力马达 1－永久磁铁 2－调整螺钉3－平衡弹簧 4－动圈
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5.1 动圈式力马达
F Bg D NC ki i
wc
kc mc Bc 2 K c mc
c
可知，动圈式力马达的频宽决定于线圈组件的固有频率。而Mc又较大，另 外，为了充分利用力马达好的线性特性，阀心行程较大，即较小。因此动 圈式力马达的频宽比较窄，故该阀用于工作频率要求不高的场合。反电动 势常数Kd和力马达力常数Kt的加大都可增加其阻尼，这有利于系统稳定。
M p N c i
对气隙②、④可得合成磁通为
2
式中
M p N c i 2 R2
2 Rg 1 x / lg
M p N c i
M p ——永久磁铁产生的极化磁动势； N c i ——控制电流产生的控制磁动势；
N c ——每个控制线圈的匝数。
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i1
5.2 动铁式力矩马达
利用衔铁在中位时的极化磁通 g 和控制磁通 c 来表示 M p 和 N c i 更为方便，则
g c 1 x / lg 2 g c 1 x / lg 1
式中
g ——衔铁在中位时气隙的极化磁通，
g
Mp 2 Rg
c ——衔铁在中位时气隙的控制磁通， N i c c 2 Rg
衔铁偏离中位时的气隙磁阻为
x R1 Rg 1 l 0 Ag g lg x x R2 Rg 1 l 0 Ag g lg x
式中
R1 ——气隙①、③的磁阻； R2 ——气隙②、④的磁阻； x ——衔铁端部（磁极面中心）偏离中位的位移。
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i1
5.2 动铁式力矩马达
由于磁路是对称的桥式磁路，故通过对角线气隙的磁通是相等的。对 包含气隙①、③、极化磁动势 M p 和控制磁动势 N c i 的闭合回路，应用 磁路的基尔霍夫第二定律可得气隙①、③的合成磁通为
1
M p N c i 2 R1


2 Rg 1 x / lg
永磁动铁力矩马达原理图
1－放大器 2－上导磁体 3－永久磁铁 4－衔铁 5－下导磁体 6－弹簧管 7－永久磁铁
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5.2 动铁式力矩马达
无信号电流时：
衔铁在上、下导磁体的中间位臵，由于力 矩马达结构是对称的。永久磁铁在四个工 作气隙中所产生的极化磁通是一样的，使 衔铁两端所受的电磁吸力相同，力矩马达 无力矩输出。
2


2
1 ＜＜ 1，故上式可简化为
a 2g
x Nc i lg Rg
考虑到 x a ，上式可写为
a 2g
N a c i lg Rg
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i1
5.3 直流比例电磁铁
比例电磁铁是将电信号转换成机械力和位移的电-机 械转换元件，是电液比例控制系统的重要组成部分。 电液比例阀的组成如下：
5.2 动铁式力矩马达
力矩马达的作用：将电信号转换为机械运动。
原理：电气-机械转换器是利用电磁原理工作的，它
由永久磁铁或激磁线圈产生极化磁场，电气控制信号通 过控制线圈产生控制磁场，两个磁场之间相互作用产生 与控制信号成比例并能反应控制信号极性的力矩，从而 使其运动部分产生角位移的机械运动
5.2 动铁式力矩马达

常用：动铁式力矩马达、动圈式力马达、比例电
磁铁、步进电机、直流和交流伺服电机等。
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5.1 动圈式力马达
原理： 力马达的可动线圈悬
置于工作气隙中，永久磁铁在 工作气隙中形成极化磁通，当 控制电流加到线圈上时，线圈 就会受到电磁力的作用而运动。 线圈的运动方向可根据磁 通方向和电流方向按左手定则 判断。线圈上的电磁力克服弹 簧力和负载力，使线圈产生一 个与控制电流成比例的位移。
对分支点 A 或 B 应用磁路基尔霍夫第一定律可得衔铁磁通 a 1 2 将式（6-9）和式（6-10）代入上式，整理后得
a
由于 x / l g
2g x / lg 2c 1 x / lg
2


2
1 ＜＜ 1，故上式可简化为
a 2g
x Nc i lg Rg
考虑到 x a ，上式可写为
a 2g
N a c i lg Rg
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5.2 动铁式力矩马达
对分支点 A 或 B 应用磁路基尔霍夫第一定律可得衔铁磁通 a 1 2 将式（6-9）和式（6-10）代入上式，整理后得
a
由于 x / l g
2g x / lg 2c 1 x / lg
从电压输入到动圈输出位移的传递函数方块图：
1
a
a
a
控制线圈内阻及放大器内阻之和比
较大，因此可忽略
a ，则以电压
为输入信号的传递函数为：
5.1 动圈式力马达