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基于磁栅式导磁套的比例电磁铁关键技术研究

作　者: 周星
导　师: 丁凡
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 比例电磁铁磁栅一体式导磁套磁路磁场有限元动静态特性仿真试验
分类号: TM574
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

比例电磁铁作为电液比例控制元件中实现电信号与机械信号转换的核心部件,在国防及工业各领域的电液控制系统中承担着重要作用。传统比例电磁铁的隔磁环部分一般由手工焊接,劳动强度大,加工工艺复杂,不利于先进自动化制造技术的推广和实现,不能满足现代工业对可持续发展的需求。基于磁栅式导磁套比例电磁铁的研究将更有利于实现自动化生产,从而解决目前企业技术工人缺乏的困境,更好地满足日益提高的市场需求,进而推动相关领域理论与技术的发展。本文以基于磁栅式导磁套的比例电磁铁关键技术为研究对象,以简化工艺、降低成本、提高性能为研究目标,采用理论分析、解析计算、数值仿真以及试验研究相结合的方法,对该新型电磁铁的关键技术进行了系统分析和深入研究。文中针对传统比例电磁铁隔磁环结构制造工艺复杂、电磁铁加工质量不稳定、加工成本较高的缺陷,提出了一种基于磁栅式导磁套的新型比例电磁铁结构,并完成了设计；根据磁路分析和磁场有限元仿真,分别探讨了各结构参数对电磁铁性能的作用机理和匹配关系；根据电磁铁温度场模型及应力分析设计理论,分别对其进行了温升验证和导磁套强度验证；搭建了比例电磁铁力测试系统,完成了基于磁栅式导磁套比例电磁铁的动静态试验。试验结果表明,其额定行程为3.6mm,额定输出力为54N,输出力滞环小于2.7%,电流滞环在2.2%左右,幅频宽约为50 Hz,具有良好的动静态特性。有关各章节内容分述如下：第一章从电液伺服／比例阀用电—机械转换器的角度出发,阐述了比例电磁铁关键技术的国内外研究进展,分析总结了阀用电—机械转换器的结构、工作原理、分类以及发展趋势。第二章针对广泛应用的典型比例电磁铁,介绍了其结构组成及工作原理；基于相关磁路定律和磁场理论,分别阐述了比例电磁铁磁路分析法和磁场数值计算方法的特点及应用场合；建立了线圈激磁磁路静态模型、比例电磁铁动态数学模型以及有限元瞬态场数学模型,得到电磁输出力的解析式和有限元方程。第三章提出了一种基于磁栅式导磁套的比例电磁铁结构,分析了其结构优点和工作原理；通过磁路分析及有限元仿真,详细阐述了各结构参数对其静态特性的作用机理,得到优化参数值下的比例电磁铁动静态特性仿真曲线；根据电磁铁发热机理,建立了稳态线圈温升模型以及瞬态温度场有限元模型,仿真验证了基于磁栅式导磁套的比例电磁铁各部分温升均在相应材料的许可范围内；基于应力分析设计法,建立了一体式导磁套强度分析有限元模型,对其进行仿真及等效线性化处理,根据应力分类与应力评判标准对线性化处理结果进行应力强度评定,验证了导磁套能够承受足够的内部压力。第四章搭建了电磁铁力特性测试系统,介绍了其组成、原理以及电磁铁的性能指标和试验方法；研制了基于磁栅式导磁套的比例电磁铁样机,基于搭建的测试系统对其静动态性能进行了试验研究,获得了电磁铁的动静态试验结果,并与仿真结果进行了对比,验证了静态磁场有限元模型的准确性。第五章对全文的主要研究工作和成果进行概括,并针对不足之处展望了今后需要进一步研究的工作和方向。

全文目录

致谢  7-8
摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
目次  12-15
1. 绪论  15-32
  1.1 电液伺服/比例阀概述  15-18
    1.1.1 电液伺服/比例阀的作用及特点  15-16
    1.1.2 电液伺服/比例阀的构成及原理  16-18
  1.2 电—机械转换器国内外研究进展  18-28
    1.2.1 动圈式电—机械转换器  18-20
    1.2.2 动铁式电—机械转换器  20-23
    1.2.3 伺服/步进电机  23-25
    1.2.4 功能或智能材料  25-28
  1.3 相关技术研究进展  28-30
    1.3.1 磁性材料  28-29
    1.3.2 线圈散热技术  29-30
  1.4 课题的研究意义及研究内容  30-31
    1.4.1 研究意义  30-31
    1.4.2 研究内容  31
  1.5 本章小结  31-32
2. 比例电磁铁的基本理论  32-44
  2.1 比例电磁铁典型结构与工作原理  32-33
    2.1.1 比例电磁铁的典型结构  32
    2.1.2 比例电磁铁的工作原理  32-33
  2.2 比例电磁铁磁路分析原理  33-37
    2.2.1 磁路定律  34-35
    2.2.2 线圈激磁磁路模型  35-36
    2.2.3 动态数学模型  36-37
  2.3 比例电磁铁磁场数值计算  37-43
    2.3.1 有限元分析法  37-38
    2.3.2 电磁场理论  38
    2.3.3 静态磁场的位函数方程及边界条件  38-40
    2.3.4 非线性轴对称静态磁场的有限元方程  40-41
    2.3.5 基于有限元的电磁力计算  41-42
    2.3.6 基于有限元的瞬态场数学模型  42-43
  2.4 本章小结  43-44
3. 基于磁栅式导磁套的比例电磁铁研究  44-69
  3.1 基于磁栅式导磁套的比例电磁铁结构与工作原理  44-49
    3.1.1 基于磁栅式导磁套的比例电磁铁结构  44-45
    3.1.2 基于磁栅式导磁套的比例电磁铁工作原理  45-49
  3.2 基于静态磁场有限元模型的结构参数影响分析  49-58
  3.3 基于磁栅式导磁套的比例电磁铁结构设计及仿真结果  58-60
  3.4 基于磁栅式导磁套的比例电磁铁温升验证  60-62
    3.4.1 稳态线圈温升计算  60-61
    3.4.2 瞬态温度场模型及仿真  61-62
  3.5 磁栅式导磁套强度验证  62-67
    3.5.1 应力分析设计法  62-65
    3.5.2 强度仿真及应力评定  65-67
  3.6 本章小结  67-69
4. 测试系统与试验研究  69-80
  4.1 测试系统组成  69-70
  4.2 电磁铁性能指标及试验方法  70-72
  4.3 基于磁栅式导磁套的比例电磁铁试验研究  72-79
    4.3.1 静态试验  72-76
    4.3.2 动态试验  76-79
  4.4 本章小结  79-80
5. 总结与展望  80-82
  5.1 论文总结  80
  5.2 工作展望  80-82
参考文献  82-86
攻读硕士学位期间取得的学术成果  86-87
附录  87-88

基于磁栅式导磁套的比例电磁铁关键技术研究

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