專利名稱：斥力式電磁位移執(zhí)行系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種斥力式電磁位移執(zhí)行器，屬于機(jī)械電子領(lǐng)域，特別是在位置控制方面的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
位置控制有多種實(shí)現(xiàn)的方式，其中比例電磁鐵廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備自動(dòng)控制領(lǐng)域。例如，現(xiàn)代柴油機(jī)電控系統(tǒng)中所用的電磁式位移執(zhí)行器是用于控制燃油噴射。由于柴油機(jī)缸內(nèi)混合的特征對(duì)循環(huán)噴油量、噴油正時(shí)的精度要求很高，柴油機(jī)燃油噴射又具有高壓、高頻、脈動(dòng)等特點(diǎn)，這使得現(xiàn)代柴油機(jī)電控系統(tǒng)在燃油噴射控制中所用的執(zhí)行器的技術(shù)含量要求高，是柴油機(jī)電控技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。執(zhí)行器由驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行電器、機(jī)械或機(jī)械/液力執(zhí)行機(jī)構(gòu)等三部分組成。由于執(zhí)行器是電控單元對(duì)被控對(duì)象實(shí)施調(diào)控的唯一機(jī)構(gòu)，又與柴油機(jī)的有關(guān)部件相連，因此，除了需要很高的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)穩(wěn)定性外，還必須具有足夠的強(qiáng)度，良好的抗振動(dòng)和抗干擾能力。電磁式位移執(zhí)行器是用電磁鐵把電能轉(zhuǎn)換成磁力，是目前應(yīng)用最普遍的一種。傳統(tǒng)上電磁式位移執(zhí)行器由電磁鐵與一個(gè)剛性彈簧組成系統(tǒng)(如附圖1)，當(dāng)螺線管1接到墊空單元7的信號(hào)后通電產(chǎn)生吸力，通過(guò)改變流經(jīng)電磁鐵的電流大小來(lái)改變電磁力，當(dāng)電流增大時(shí)，電磁鐵產(chǎn)生的電磁吸力使得銜鐵4朝著靠近電磁鐵的方向運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，彈簧2的形變量增大，彈性力相應(yīng)的增加，產(chǎn)生與電磁力方向相反的阻力，阻礙銜鐵的運(yùn)動(dòng)，兩力平衡達(dá)到控制銜鐵位置的目的。同時(shí)，位移傳感器6反饋銜鐵當(dāng)前的位置。
普通電磁鐵與彈簧組成的系統(tǒng)的力-位移特性曲線如附圖2所示。從附圖2中可以看出，如果由普通吸力電磁鐵和彈簧組成系統(tǒng)，在二者力-位移特性曲線b、c相交處力達(dá)到平衡，但兩特性曲線的夾角很小，而且可能交于A、B兩點(diǎn)。該系統(tǒng)能夠自穩(wěn)定的區(qū)域需要滿足以下條件在區(qū)域3內(nèi)，對(duì)于增大單位位移量Δx，電磁力的減小量小于彈簧力的減小量ΔF，此時(shí)銜鐵受到的外力是方向指向平衡點(diǎn)A的阻力，大小也是兩者的絕對(duì)值差值。同理，在區(qū)域2內(nèi)，對(duì)于減小單位位移量，阻力彈簧力的增量大于電磁力的增量，此時(shí)銜鐵所受到的外力為方向指向平衡點(diǎn)的阻力，大小為兩者的絕對(duì)值之差。在理想狀況下，銜鐵應(yīng)該往平衡點(diǎn)A處回復(fù)。顯而易見(jiàn)，在區(qū)域1內(nèi)，當(dāng)有一個(gè)擾動(dòng)位移B點(diǎn)的平衡便會(huì)被打破，而且不具備自動(dòng)回復(fù)的能力，因?yàn)榇藭r(shí)電磁鐵的吸力增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于彈簧彈力的增加量。因此，系統(tǒng)的工作區(qū)域是2、3。但是，如果考慮到實(shí)際存在的摩擦力，會(huì)發(fā)現(xiàn)只有電流增加量達(dá)到一定的值時(shí)，電磁力才能克服彈簧力和摩擦力之和，使得銜鐵運(yùn)動(dòng)。由于在一定電流下合力ΔF具有有限的最大值，當(dāng)有擾動(dòng)存在時(shí)，電磁力和彈簧的合力有時(shí)不足以克服摩擦力，導(dǎo)致銜鐵在很多位置能夠穩(wěn)定。這樣的話會(huì)導(dǎo)致銜鐵位置不可控，改變電流會(huì)產(chǎn)生斷斷續(xù)續(xù)的運(yùn)動(dòng)，無(wú)法滿足柴油機(jī)齒桿控制的要求。為此，還需要精心設(shè)計(jì)電磁鐵的結(jié)構(gòu)改變電磁特性(譬如附圖2所示的比例電磁鐵的特性曲線a)，來(lái)滿足工作行程的需要，再加PID反饋控制、增加彈簧剛度等方式實(shí)現(xiàn)比例電磁鐵可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但隨之會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題工藝復(fù)雜，可靠性降低，有效行程減小等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
傳統(tǒng)的電磁式執(zhí)行器中，采取的執(zhí)行原理是吸力原理，它會(huì)導(dǎo)致普通電磁鐵與彈簧難以匹配，合力-位移特性非線性，從而導(dǎo)致控制精度和穩(wěn)定性不佳等問(wèn)題，而本發(fā)明中采用磁鐵異性相斥的原理制成斥力式電磁鐵執(zhí)行器，使電磁執(zhí)行器中的定螺線管通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)與銜鐵的磁場(chǎng)同極端相對(duì)，從而產(chǎn)生斥力，以此來(lái)推動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)，壓縮回位彈簧或其它平衡回位裝置達(dá)到平衡，很好的解決了合力位移特性非線性的問(wèn)題，從而增強(qiáng)了它的控制精度和穩(wěn)定性。而本發(fā)明中的運(yùn)動(dòng)銜鐵所用材料為軟磁材料，磁體和螺線管都可，基本結(jié)構(gòu)與附圖1所示相同。
本發(fā)明運(yùn)行模式為以彈簧或以兩塊永久磁鐵取代彈簧產(chǎn)生平衡力，兩塊永久磁鐵一塊裝在銜鐵導(dǎo)桿的力輸出端，另一塊與之同磁極相對(duì)裝在固定座上，彈簧的彈力或永久磁鐵之間的斥力平衡電磁鐵的斥力。此時(shí)電磁鐵螺線管與銜鐵之間產(chǎn)生的是斥力，推動(dòng)銜鐵產(chǎn)生位移，同時(shí)彈簧的彈力使得銜鐵有向電磁鐵靠近的趨勢(shì)，或者回位磁鐵間的氣隙減小，斥力增大，阻礙銜鐵的運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到平衡。電磁鐵產(chǎn)生的電磁斥力和復(fù)位磁鐵斥力或彈簧彈力間差值的正負(fù)對(duì)應(yīng)于齒桿的加減速。其位移力特性如附圖3所示，平衡位置為電磁鐵特性曲線a與彈簧回復(fù)力曲線c的交點(diǎn)，或者是電磁鐵的特性曲線a與回位磁鐵的特性曲線的交點(diǎn)。此時(shí)交點(diǎn)唯一，且曲線a、c交角較大，當(dāng)銜鐵在平衡位置受到擾動(dòng)時(shí)，一個(gè)力增大，另一個(gè)減小，兩者的合力是兩個(gè)力的絕對(duì)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計(jì)。在這種原理下，系統(tǒng)既使遇到擾動(dòng)，也能在合力ΔF的作用下回到平衡位置。該斥力式電磁位移執(zhí)行器有三種基本方式可以實(shí)現(xiàn)1、電磁鐵主要由兩個(gè)螺線管組成，固定螺線管的鐵芯和作為銜鐵的動(dòng)螺線管的導(dǎo)桿都為軟材料。當(dāng)定螺線管和動(dòng)螺線管的電流方向相反時(shí)，相對(duì)端極性相同便形成斥力；2、電磁鐵由定螺線管和動(dòng)銜鐵組成，其中定螺線管的鐵芯用軟磁材料，銜鐵用永磁體制成，而銜鐵的導(dǎo)桿則采用非導(dǎo)磁材料。將螺線管通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)與銜鐵的磁場(chǎng)同極相對(duì)，其間產(chǎn)生斥力；3、電磁鐵由定螺線管和動(dòng)銜鐵組成，螺線管的鐵芯和銜鐵都用永磁體制成，銜鐵的導(dǎo)桿采用非導(dǎo)磁材料。將螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)與銜鐵的磁場(chǎng)同極相對(duì)，當(dāng)給螺線管通電后電磁鐵產(chǎn)生斥力。上訴3種模式都會(huì)使銜鐵產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)導(dǎo)桿產(chǎn)生位移，壓迫回位裝置，產(chǎn)生平衡力。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該斥力式電磁位移執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、對(duì)油質(zhì)污染不敏感、價(jià)格低廉、有較大的功率重量比，可以輸出較大的位移和力、可靠性高、控制方便、靈敏度高、死區(qū)小、滯環(huán)小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度好、運(yùn)動(dòng)副靜壓平衡、輸出位移和輸入電流之間能夠保持良好的線性關(guān)系，與彈簧-吸力電磁鐵系統(tǒng)相比穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性有明顯提高。


圖1是采用線性螺線管的電磁位移執(zhí)行器。其中，1是屏蔽外殼，2是彈簧，3是線圈，4是齒桿，5是電樞，6是電控單元，7是位移傳感器。
圖2是吸力電磁鐵與彈簧組成的系統(tǒng)的力-位移特性。其中，a是比例電磁鐵的特性曲線；b是普通電磁鐵的特性曲線；c是彈簧的特性曲線；A、B兩點(diǎn)是彈簧和普通電磁鐵的平衡點(diǎn)，兩點(diǎn)處曲線夾角較小，合力亦小，故不宜平衡，尤其在B點(diǎn)電磁鐵很容易吸合；1是電磁鐵的吸合區(qū)；2是工作行程區(qū)；3是空行程區(qū)；ΔF是電磁鐵和回位彈簧兩個(gè)力的絕對(duì)值之和；Δx是銜鐵的位移量。
圖3是斥力電磁鐵與彈簧或永磁體組成系統(tǒng)的力-位移特性曲線。其中，a、b、c分別為斥力電磁鐵、永磁體、彈簧的力-位移特性曲線；ΔF是電磁力與回復(fù)力之差；Δx是銜鐵的位移量。
圖4是一種斥力式電磁鐵位移執(zhí)行器的實(shí)施方案簡(jiǎn)圖。其中，定螺線管5和動(dòng)螺線管1構(gòu)成電磁鐵。6是動(dòng)螺線管的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿。2是兩螺線管的氣隙墊片。3和7是電磁鐵斥力平衡彈簧。在圖中，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，3或7任使用一種即可，而且，3或7還可以用兩塊同極性相對(duì)的永磁體來(lái)代替，這兩塊永磁鐵在圖中用4、8表示，當(dāng)4、8之間氣隙減小時(shí)其斥力增大，以平衡電磁斥力。9為屏蔽外殼。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明結(jié)合

4，描述具體實(shí)施方式
如下斥力式電磁位移執(zhí)行器有三種基本方式可以實(shí)現(xiàn)1、電磁鐵主要由兩個(gè)螺線管組成，如附圖4所示。固定螺線管5的鐵芯和作為銜鐵的動(dòng)螺線管1的導(dǎo)桿都為軟材料。螺線管5和屏蔽外殼9固定，在銜鐵運(yùn)動(dòng)方向末端裝回位彈簧或回位磁鐵?；匚粡椈裳b在銜鐵的力輸出桿末端和固定座之間；回位磁鐵是由兩塊同極性端相對(duì)的永磁體構(gòu)成，一塊裝在銜鐵的力輸出桿末端，另一塊裝在與之相對(duì)的固定座上。當(dāng)固定螺線管5和動(dòng)螺線管1的電流方向相反時(shí)，相對(duì)端極性相同量螺線管之間便產(chǎn)生斥力，使動(dòng)螺線管1產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)導(dǎo)桿6產(chǎn)生位移，壓迫回位彈簧3或拉動(dòng)彈簧7，再或使回位磁鐵4、8間的氣隙減小，都可產(chǎn)生平衡力，使銜鐵穩(wěn)定在預(yù)定的位置上。
2、電磁鐵由定螺線管5和動(dòng)銜鐵1組成，如附圖4所示。定螺線管5固定在屏蔽外殼上，其鐵芯用軟磁材料，銜鐵1用永磁體制成，而銜鐵的導(dǎo)桿6則采用非導(dǎo)磁材料。使螺線管5通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)與銜鐵1的磁場(chǎng)同極相對(duì)，其間產(chǎn)生斥力，使銜鐵1產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)導(dǎo)桿6產(chǎn)生位移，壓迫回位彈簧3或拉動(dòng)彈簧7或者使回位磁鐵4、8間的氣隙減小，產(chǎn)生的彈力或磁斥力平衡點(diǎn)磁鐵的斥力。在銜鐵1運(yùn)動(dòng)方向末端裝回位彈簧7或回位磁鐵3。回位彈簧3、7裝在銜鐵的力輸出桿末端和固定座之間；回位磁鐵4、8是由兩塊同極性端相對(duì)的永磁體構(gòu)成，一塊裝在銜鐵的力輸出桿末端，另一塊裝在與之相對(duì)的固定座上。當(dāng)電控單元輸出一定信號(hào)時(shí)，兩螺線管之間的斥力使動(dòng)螺線管產(chǎn)生位移，壓縮彈簧或使回位磁鐵的氣隙減小，產(chǎn)生平衡力，使銜鐵穩(wěn)定在預(yù)定的位置上。
3、電磁鐵由定螺線管5和動(dòng)銜鐵1組成，如附圖4所示。螺線管5固定在屏蔽外殼上，5的鐵芯和銜鐵1都用永磁體制成，銜鐵1和導(dǎo)桿6裝配為一體，導(dǎo)桿6采用非導(dǎo)磁材料。使螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)與銜鐵的磁場(chǎng)同極相對(duì)，當(dāng)給螺線管5通電后電磁鐵產(chǎn)生斥力，使銜鐵1產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)導(dǎo)桿6產(chǎn)生位移，壓迫回位彈簧3或拉動(dòng)彈簧7或者使回位磁鐵4、8間的氣隙減小，產(chǎn)生平衡力。在銜鐵運(yùn)動(dòng)方向末端裝回位彈簧或回位磁鐵?；匚粡椈?、7裝在銜鐵的力輸出桿末端和固定座之間；回位磁鐵是由兩塊同極性端相對(duì)的永磁體構(gòu)成，一塊裝在銜鐵的力輸出桿末端，另一塊裝在與之相對(duì)的固定座上。當(dāng)電控單元輸出一定信號(hào)時(shí)，兩螺線管之間的斥力使動(dòng)螺線管產(chǎn)生一定的位移，壓縮彈簧或使回位磁鐵的氣隙減小，產(chǎn)生平衡力，使銜鐵穩(wěn)定在預(yù)定的位置上。
權(quán)利要求
1.本實(shí)用新型涉及一種斥力式電磁位移執(zhí)行器，屬于機(jī)械位移電子控制技術(shù)，本發(fā)明中采用磁鐵異性相斥的原理制成斥力式電磁鐵執(zhí)行器，使電磁執(zhí)行器中的定螺線管通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)與銜鐵的磁場(chǎng)同極端相對(duì)，從而產(chǎn)生斥力，以此來(lái)推動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)，壓縮回位彈簧或其它平衡回位裝置達(dá)到平衡。
2.如權(quán)利要求1所述的一種磁力復(fù)位式電磁執(zhí)行器的運(yùn)行模式為以彈簧或以兩塊永久磁鐵取代彈簧產(chǎn)生平衡力，兩塊永久磁鐵一塊裝在銜鐵導(dǎo)桿的力輸出端，另一塊與之同磁極相對(duì)裝在固定座上，彈簧的彈力或永久磁鐵之間的斥力平衡電磁鐵的斥力。
3.如權(quán)利要求1所述的一種磁力復(fù)位式電磁執(zhí)行器有三種基本方式可以實(shí)現(xiàn)a.電磁鐵主要由兩個(gè)螺線管組成，固定螺線管的鐵芯和作為銜鐵的動(dòng)螺線管的導(dǎo)桿都為軟材料。當(dāng)定螺線管和動(dòng)螺線管的電流方向相反時(shí)，相對(duì)端極性相同便形成斥力；b.電磁鐵由定螺線管和動(dòng)銜鐵組成，其中定螺線管的鐵芯用軟磁材料，銜鐵用永磁體制成，而銜鐵的導(dǎo)桿則采用非導(dǎo)磁材料。將螺線管通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)與銜鐵的磁場(chǎng)同極相對(duì)，其間產(chǎn)生斥力；c.電磁鐵由定螺線管和動(dòng)銜鐵組成，螺線管的鐵芯和銜鐵都用永磁體制成，銜鐵的導(dǎo)桿采用非導(dǎo)磁材料。將螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)與銜鐵的磁場(chǎng)同極相對(duì)，當(dāng)給螺線管通電后電磁鐵產(chǎn)生斥力。上訴3種模式都會(huì)使銜鐵產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)導(dǎo)桿產(chǎn)生位移，壓迫回位裝置，產(chǎn)生平衡力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種斥力式電磁位移執(zhí)行器，屬于機(jī)械電子領(lǐng)域，特別是在位置控制方面的應(yīng)用。本發(fā)明中采用磁鐵異性相斥的原理制成斥力式電磁鐵執(zhí)行器，使電磁執(zhí)行器中的定螺線管通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)與銜鐵的磁場(chǎng)同極端相對(duì)，從而產(chǎn)生斥力，以此來(lái)推動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)，壓縮回位彈簧或其它平衡回位裝置達(dá)到平衡，很好地解決了合力位移特性非線性的問(wèn)題，從而增強(qiáng)了它的控制精度和穩(wěn)定性。而本發(fā)明中的運(yùn)動(dòng)銜鐵所用材料為軟磁材料，磁體和螺線管都可。既實(shí)現(xiàn)了比例電磁鐵的優(yōu)良特性，同時(shí)避免比例電磁鐵工藝復(fù)雜，可靠性降低，有效行程減小等問(wèn)題，減少普通電磁鐵與彈簧組成的系統(tǒng)造成的不穩(wěn)定和難以控制的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01F7/08GK1588586SQ200410074388
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月14日
發(fā)明者劉興華, 劉福水, 白向東 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)