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摘要：为满足电磁阀驱动装置电机械转换器的驱动性能，提升电机械转化器的响应速度与控制精度，本文提出了一种永磁体励磁的动圈式电机械转换器结构设计方案。建立了电机械转换器有限元分析模型，以输出电磁力的最大值与低波动为目标，对其各个部件进行优化设计，对其线圈骨架结构形式进行优化。本文对提升电磁阀性能提供了一定的思路。
Abstract： In order to meet the driving performance of the electromechanical converter of the solenoid valve drive device and improve the response speed and control accuracy of the electromechanical converter， this paper proposes a permanent magnet-excited moving coil electromechanical converter structure design. The finite element analysis model of the electromechanical converter is established， and the maximum value and low fluctuation of the output electromagnetic force are set as the goal. The various components are optimized and the structure of the coil skeleton is optimized. This article provides some ideas for improving the performance of solenoid valves.
关键词：电机械转换器;动圈式;永磁体励磁;永磁体阵列
Key words： electromechanical converter;moving coil;permanent magnet excitation;permanent magnet array
中图分类号：TM301.2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0025-02
0 引言
电机械转化器作为电磁阀的驱动部件，其响应速度与输出力精度直接决定电磁阀的响应速度与控制精度。谭草提出了一种高功率密度的动圈式电磁直线执行器[1-3]，此执行器可在短时间内供大电流以得到较大的输出力，为提升阀用电机械转换器的输出力特性提供思路。李波等提出了电磁直驱变速系统，并对电磁直驱系统进行了深入优化研究，为直线电机优化提供一定思路。刘梁等对应用于气体燃料发动机的配气机构执行器进行了深入研究，通过优化执行器的性能从而提升气体燃料发动机的性能，为解决电磁阀电机械转换器优化提供一定思路。于振燕等从材料和磁化技术两方面对电机进行分析设计，有效缩小了永磁体体积和提升了电机的输出力，使得电磁阀的频响特性得到提升，为提高电机械转化器永磁体类型提供了思路。许珍等通过有限元分析的方法对电磁阀的结构部件及材料进行了分析，提供了一种通过仿真计算的方法解决电机械转换器的分析方法。杨昆等通过遗传算法对电磁阀进行优化，提供一种通过算法解决电磁阀优化的思路。
上述文献对阀用电机械转换器从结构设计和材料选择及计算理论方面取得了进步，但在阀用电机械转化器在驱动力密度，工作行程内驱动力波动量方面研究较少，限制了电磁阀的控制精度，且工作行程相对偏小，价格过高，难以在工程领域广泛应用。
1 结构与工作原理
本文中电机械转换器采用永磁体励磁，固定在外磁轭内侧上的永磁体与内外磁轭共同形成磁场回路，通电线圈位于永磁体和内磁轭之间的气隙磁场中。其工作原理为通电线圈在永磁体产生的磁场中受到力的作用，产生的电磁力经过线圈骨架、直线轴承传递出去，为电磁阀阀芯运动提供动力，实现对电磁阀阀芯的驱动。电机械转换器的输出力特性与工作气隙磁场磁感应强度以及线圈输入电流大小相关，可通过改变输入电流大小得到不同的电磁力输出，从而实现对电磁阀的控制，其结构组成如图1所示。
为提升电机械转换器的性能，本文中电机械转换器永磁体采用Halbach阵列五环布置在外磁轭上，通过仿真计算可得此种方式排列的永磁体可以提升气隙磁感应强度，永磁体的排列方式示意图如图2所示。由于聚四氟乙烯材料在强度和质量方面的优异特性，本文中选其作为线圈骨架材料，在保证强度的同时还可降低电机械转换器动子质量，进而可提升电机械轉换器的响应速度。线圈输入电流密度分别为1-10A/mm2。为降低电机械转换器的涡流损耗与磁滞损耗，提高其能量利用率，其内外磁轭及端盖材料选用磁导率高且不易生锈的发黑处理过的8号钢材料，可提升电机械转换器的工作效率且能放宽电机械转换器的使用条件。
2 仿真模型
本文中电机械转换器采用有限元建模分析方法，通过有限元软件建立电机械转换器的三维有限元分析模型。模型中主要包含电机械转换器内外磁轭材料及尺寸参数、永磁体材料及尺寸参数和线圈的电流及尺寸参数，在模型建立中考虑了电磁线圈通电时的电感。为保证电磁线圈产生的电磁力能够精确的传递到阀芯上，对电机械转换器的三种线圈骨架形式进行有限元分析，确定形变量最小的线圈骨架结构形式作为最终方案。 3 电机械转换器设计与分析优化
3.1 结构设计与参数优化
根据电机械转换器的设计经验大致确定其各部分的结构参数，在电机械转化器外围尺寸确定后，内部永磁体轴向尺寸和排列方式、线圈骨架工作气隙及磁轭径向尺寸对输出力的峰值量及波动量有显著影响。本文中电机械转换器的Halbach阵列五环布置在外磁轭上与普通阵列布置的永磁体磁场强度对比，可大大提升工作气隙的磁感应强度。在电机械转换器外围尺寸确定和内外磁轭尚不饱和的前提下，永磁体的径向尺寸和线圈的电流密度形成相对矛盾关系。电机械转换器的输出力和其工作行程内的驱动力波动量存在不同一化的趋势，需要根据电磁阀的驱动要求进行结构参数优化。
常规阀用电机械转换器驱动力密度较低、工作行程内驱动力波动量较大，本文以电机械转换器驱动力密度和其工作行程内驱动力波动量两个量作为优化目标，采用遗传算法解决两个优化目标间的矛盾关系，从而确定电机械转换器永磁体轴向各环尺寸分布、内外磁轭适宜尺寸及下端盖适宜尺寸。遗传算法从一个初始种群出发，不断重复执行选择、交叉和变异操作，使种群越来越接近某一目标，从而获得最优解和满意解。
在电机械转换器外围尺寸为50mm确定的前提下，结合其他电机电磁场的设计经验，在计算过程中初步设定永磁体的的厚度尺寸为4.00mm，线圈骨架与永磁体和外磁轭之间的间隙确定为0.20mm，永磁体的轴向尺寸、内外磁轭及端盖的优化参数范围如表1所示。
将表1中的参数范围输入有限元分析模型中，并将其计算结果输入遗传算法优化模型，进行相互迭代计算。根据电磁阀的驱动要求，选择驱动力较大且工作行程内驱动力波动量较小的结果，并结合相应的加工能力，对各个优化量进行筛选得到优化结果如表2所示。
3.2 最优尺寸的磁感应强度分析
电机械转换器经过参数优化后，確定了各部分的尺寸，根据电机械转换器的磁场分布云图可见电机械转换器内磁轭和下端盖中有磁通密度几乎为零的地方，为减轻电机械转换器的整体质量，对内磁轭和下端进行缩短和打孔处理。
3.3 线圈骨架结构方案分析
电机械转换器输出的电磁力完全传递到阀芯才能保证电磁阀的响应速度与控制精度，对线圈骨架不同结构方案进行有限元建模，分析不同结构方案的电磁线圈骨架的刚度。根据现有线圈骨架结构形式初步确定三种线圈骨架的结构方案。通过线圈骨架刚度分析，本文所选方案线圈骨架的最大变形量为0.22mm，能够较好的将电机械转换器的输出电磁力准确传递给电磁阀阀芯。
4 驱动力力特征
经FEM分析，电机械转化器线圈处于中间位置时，线圈输入1-10A/mm2电流密度，根据电机械转换器F-I输出特性曲线图，输入电流密度和输出驱动力具有很好的线性度，在电机械转换器工作过程中，可根据输入电流的大小控制驱动力的大小，进而控制阀芯运动，从而实现对电磁阀精确控制的目的。当输入电流密度为10A/mm2时，输出电磁力峰值达到80.81N，驱动力在工作行程内的最大波动量为4.90%，其输出力特性适合电磁阀对电机械转换器的要求。
5 总结
本文提出一种新型动圈式电机械转换器结构方案，建立其有限元分析模型，通过有限元分析的方法对电机械转换器进行优化设计与性能分析。通过对电机械转换器永磁体不同排列形式进行对比分析，为加强电磁线圈工作气隙的磁感应强度，将电机械转换器的永磁体采用Halbach阵列五环布置在经过发黑处理的外磁轭上。采用遗传算法对电机械转换器驱动力密度和其工作行程内驱动力波动量两个量进行目标优化，优化结果表明输入电流密度和驱动力具有很好的线性度，工作过程中可根据输入电流的大小控制驱动力的大小，实现对电磁阀精确控制的目的。驱动力最大波动量较常规电机械转换器性能有很大提升，可以很好地满足电磁阀的比例驱动要求。
参考文献：
[1]谭草，常思勤，刘梁，戴建国，顾春荣.高驱动力密度短时工作电磁直线执行器研究[J].南京理工大学学报，2016，40（05）：509-514.
[2]刘永腾，谭草，李波，葛文庆.基于STC单片机的电磁阀组控制器设计[J].机床与液压，2021，49（02）：70-73.
[3]谭草，葛文庆，李波，孙宾宾.双稳态线性力执行器静动态特性[J].电机与控制学报，2020，24（06）：119-126，134.
Abstract： In order to meet the driving performance of the electromechanical converter of the solenoid valve drive device and improve the response speed and control accuracy of the electromechanical converter， this paper proposes a permanent magnet-excited moving coil electromechanical converter structure design. The finite element analysis model of the electromechanical converter is established， and the maximum value and low fluctuation of the output electromagnetic force are set as the goal. The various components are optimized and the structure of the coil skeleton is optimized. This article provides some ideas for improving the performance of solenoid valves.
关键词：电机械转换器;动圈式;永磁体励磁;永磁体阵列
Key words： electromechanical converter;moving coil;permanent magnet excitation;permanent magnet array
中图分类号：TM301.2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0025-02
0 引言
电机械转化器作为电磁阀的驱动部件，其响应速度与输出力精度直接决定电磁阀的响应速度与控制精度。谭草提出了一种高功率密度的动圈式电磁直线执行器[1-3]，此执行器可在短时间内供大电流以得到较大的输出力，为提升阀用电机械转换器的输出力特性提供思路。李波等提出了电磁直驱变速系统，并对电磁直驱系统进行了深入优化研究，为直线电机优化提供一定思路。刘梁等对应用于气体燃料发动机的配气机构执行器进行了深入研究，通过优化执行器的性能从而提升气体燃料发动机的性能，为解决电磁阀电机械转换器优化提供一定思路。于振燕等从材料和磁化技术两方面对电机进行分析设计，有效缩小了永磁体体积和提升了电机的输出力，使得电磁阀的频响特性得到提升，为提高电机械转化器永磁体类型提供了思路。许珍等通过有限元分析的方法对电磁阀的结构部件及材料进行了分析，提供了一种通过仿真计算的方法解决电机械转换器的分析方法。杨昆等通过遗传算法对电磁阀进行优化，提供一种通过算法解决电磁阀优化的思路。
上述文献对阀用电机械转换器从结构设计和材料选择及计算理论方面取得了进步，但在阀用电机械转化器在驱动力密度，工作行程内驱动力波动量方面研究较少，限制了电磁阀的控制精度，且工作行程相对偏小，价格过高，难以在工程领域广泛应用。
1 结构与工作原理
本文中电机械转换器采用永磁体励磁，固定在外磁轭内侧上的永磁体与内外磁轭共同形成磁场回路，通电线圈位于永磁体和内磁轭之间的气隙磁场中。其工作原理为通电线圈在永磁体产生的磁场中受到力的作用，产生的电磁力经过线圈骨架、直线轴承传递出去，为电磁阀阀芯运动提供动力，实现对电磁阀阀芯的驱动。电机械转换器的输出力特性与工作气隙磁场磁感应强度以及线圈输入电流大小相关，可通过改变输入电流大小得到不同的电磁力输出，从而实现对电磁阀的控制，其结构组成如图1所示。
为提升电机械转换器的性能，本文中电机械转换器永磁体采用Halbach阵列五环布置在外磁轭上，通过仿真计算可得此种方式排列的永磁体可以提升气隙磁感应强度，永磁体的排列方式示意图如图2所示。由于聚四氟乙烯材料在强度和质量方面的优异特性，本文中选其作为线圈骨架材料，在保证强度的同时还可降低电机械转换器动子质量，进而可提升电机械轉换器的响应速度。线圈输入电流密度分别为1-10A/mm2。为降低电机械转换器的涡流损耗与磁滞损耗，提高其能量利用率，其内外磁轭及端盖材料选用磁导率高且不易生锈的发黑处理过的8号钢材料，可提升电机械转换器的工作效率且能放宽电机械转换器的使用条件。
2 仿真模型
本文中电机械转换器采用有限元建模分析方法，通过有限元软件建立电机械转换器的三维有限元分析模型。模型中主要包含电机械转换器内外磁轭材料及尺寸参数、永磁体材料及尺寸参数和线圈的电流及尺寸参数，在模型建立中考虑了电磁线圈通电时的电感。为保证电磁线圈产生的电磁力能够精确的传递到阀芯上，对电机械转换器的三种线圈骨架形式进行有限元分析，确定形变量最小的线圈骨架结构形式作为最终方案。 3 电机械转换器设计与分析优化
3.1 结构设计与参数优化
根据电机械转换器的设计经验大致确定其各部分的结构参数，在电机械转化器外围尺寸确定后，内部永磁体轴向尺寸和排列方式、线圈骨架工作气隙及磁轭径向尺寸对输出力的峰值量及波动量有显著影响。本文中电机械转换器的Halbach阵列五环布置在外磁轭上与普通阵列布置的永磁体磁场强度对比，可大大提升工作气隙的磁感应强度。在电机械转换器外围尺寸确定和内外磁轭尚不饱和的前提下，永磁体的径向尺寸和线圈的电流密度形成相对矛盾关系。电机械转换器的输出力和其工作行程内的驱动力波动量存在不同一化的趋势，需要根据电磁阀的驱动要求进行结构参数优化。
常规阀用电机械转换器驱动力密度较低、工作行程内驱动力波动量较大，本文以电机械转换器驱动力密度和其工作行程内驱动力波动量两个量作为优化目标，采用遗传算法解决两个优化目标间的矛盾关系，从而确定电机械转换器永磁体轴向各环尺寸分布、内外磁轭适宜尺寸及下端盖适宜尺寸。遗传算法从一个初始种群出发，不断重复执行选择、交叉和变异操作，使种群越来越接近某一目标，从而获得最优解和满意解。
在电机械转换器外围尺寸为50mm确定的前提下，结合其他电机电磁场的设计经验，在计算过程中初步设定永磁体的的厚度尺寸为4.00mm，线圈骨架与永磁体和外磁轭之间的间隙确定为0.20mm，永磁体的轴向尺寸、内外磁轭及端盖的优化参数范围如表1所示。
将表1中的参数范围输入有限元分析模型中，并将其计算结果输入遗传算法优化模型，进行相互迭代计算。根据电磁阀的驱动要求，选择驱动力较大且工作行程内驱动力波动量较小的结果，并结合相应的加工能力，对各个优化量进行筛选得到优化结果如表2所示。
3.2 最优尺寸的磁感应强度分析
电机械转换器经过参数优化后，確定了各部分的尺寸，根据电机械转换器的磁场分布云图可见电机械转换器内磁轭和下端盖中有磁通密度几乎为零的地方，为减轻电机械转换器的整体质量，对内磁轭和下端进行缩短和打孔处理。
3.3 线圈骨架结构方案分析
电机械转换器输出的电磁力完全传递到阀芯才能保证电磁阀的响应速度与控制精度，对线圈骨架不同结构方案进行有限元建模，分析不同结构方案的电磁线圈骨架的刚度。根据现有线圈骨架结构形式初步确定三种线圈骨架的结构方案。通过线圈骨架刚度分析，本文所选方案线圈骨架的最大变形量为0.22mm，能够较好的将电机械转换器的输出电磁力准确传递给电磁阀阀芯。
4 驱动力力特征
经FEM分析，电机械转化器线圈处于中间位置时，线圈输入1-10A/mm2电流密度，根据电机械转换器F-I输出特性曲线图，输入电流密度和输出驱动力具有很好的线性度，在电机械转换器工作过程中，可根据输入电流的大小控制驱动力的大小，进而控制阀芯运动，从而实现对电磁阀精确控制的目的。当输入电流密度为10A/mm2时，输出电磁力峰值达到80.81N，驱动力在工作行程内的最大波动量为4.90%，其输出力特性适合电磁阀对电机械转换器的要求。
5 总结
本文提出一种新型动圈式电机械转换器结构方案，建立其有限元分析模型，通过有限元分析的方法对电机械转换器进行优化设计与性能分析。通过对电机械转换器永磁体不同排列形式进行对比分析，为加强电磁线圈工作气隙的磁感应强度，将电机械转换器的永磁体采用Halbach阵列五环布置在经过发黑处理的外磁轭上。采用遗传算法对电机械转换器驱动力密度和其工作行程内驱动力波动量两个量进行目标优化，优化结果表明输入电流密度和驱动力具有很好的线性度，工作过程中可根据输入电流的大小控制驱动力的大小，实现对电磁阀精确控制的目的。驱动力最大波动量较常规电机械转换器性能有很大提升，可以很好地满足电磁阀的比例驱动要求。
参考文献：
[1]谭草，常思勤，刘梁，戴建国，顾春荣.高驱动力密度短时工作电磁直线执行器研究[J].南京理工大学学报，2016，40（05）：509-514.
[2]刘永腾，谭草，李波，葛文庆.基于STC单片机的电磁阀组控制器设计[J].机床与液压，2021，49（02）：70-73.
[3]谭草，葛文庆，李波，孙宾宾.双稳态线性力执行器静动态特性[J].电机与控制学报，2020，24（06）：119-126，134.