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北京航空航天大学学报 2024年

作者：陈淑梅陈绍荣李启正黄惠李雨铮黄秋芳福州大学机械工程及自动化学院福州大学流体动力与电液智能控制福建省高校重点实验室福龙马集团股份有限公司

高速开关阀在航空航天领域有广泛的运用，但现有高速开关阀的涡流大导致其响应时间难以提升，且响应时间受衔铁直径、弹簧预紧力等多个结构参数交互影响的规律复杂。针对此问题，分析了涡流对高速开关阀动态特性的影响，在此基础上设计... 详细信息

高速开关阀在航空航天领域有广泛的运用，但现有高速开关阀的涡流大导致其响应时间难以提升，且响应时间受衔铁直径、弹簧预紧力等多个结构参数交互影响的规律复杂。针对此问题，分析了涡流对高速开关阀动态特性的影响，在此基础上设计了一种降低涡流损耗的多狭缝衔铁结构，可加快高速开关阀的电-机械转换器的启闭，并基于此结构分析了衔铁直径、线圈匝数、弹簧预紧力、弹簧刚度交互作用对电-机械转换器启闭特性的影响规律，随后通过灰色关联度量化各因素与启闭时间的关联度。研究表明多狭缝衔铁结构可以减小50.7%的涡流损耗，可缩短启闭时间15%，同时发现弹簧预紧力与闭合时间关联度最高，衔铁直径与复位时间关联度最高，可为高速开关阀的电-机械转换器结构优化和动态特性进一步提升提供依据。

关键词：高速开关阀电-机械转换器涡流动态特性参数分析

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二维电液高速开关阀及其电-机械转换器的设计与研究

二维电液高速开关阀及其电-机械转换器的设计与研究

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作者：韩梁涛浙江工业大学

学位级别：硕士

高速开关阀作为航空航天等移动式液压系统的关键元件，为了实现高功率密度，一般采用液控先导结构。现有的液控先导一般通过先导阀及其控制回路实现，结构复杂，加工成本高，抗污染能力差，最主要的是无法解决大流量与快速性之间的矛盾... 详细信息

高速开关阀作为航空航天等移动式液压系统的关键元件，为了实现高功率密度，一般采用液控先导结构。现有的液控先导一般通过先导阀及其控制回路实现，结构复杂，加工成本高，抗污染能力差，最主要的是无法解决大流量与快速性之间的矛盾。二维阀具有平转联动的特点，其导控级为差动式液压阻力半桥，压力增益特别高，阀芯只需通过电-机械转换器的微小角位移驱动就可以实现快速移动，显著地提高了集成度、静动态性能以及抗污染能力。本论文基于二维阀的设计理念，以二维伺服螺旋机构原理为基础，主要根据驱动机构的不同提出了两种二维高速开关阀的设计方案，即磁悬浮力矩马达驱动型二维(2D)高速开关阀和拍合式电磁铁驱动型二维(2D)高速开关阀，并对此进行如下研究：　　（1）根据设计要求确定两种二维(2D)电液高速开关阀的总体方案，分别设计了两种方案中高速开关阀及其电-机械转换器的结构，并分析了各个模块的主要结构特点以及工作原理。　　（2）针对两种方案中所设计的电-机械转换器，通过电路、磁路等效分析，分别建立其理论数学模型，为后文电磁场仿真分析奠定良好的理论基础。在AnsoftMaxwell中分别搭建磁悬浮力矩马达和拍合式电磁铁的电磁场仿真模型，研究其关键结构参数对电磁输出特性的影响，通过合理优化得到两种电-机械转换器的最佳结构尺寸，最后再次利用电磁场仿真研究了它们的静动态特性。　　（3）将两种方案高速开关阀的原理结构及其电-机械转换器输出特性进行对比，选定磁悬浮力矩马达驱动型二维(2D)高速开关阀为重点研究方案，对其主阀芯开口量、主阀体结构、高压驱动组件液压驱动力、二维活塞阀芯（先导阀芯）结构以及整阀内泄漏量等进行了计算与校核，其中通过AnsysWorkbench建立了主阀体的仿真模型，分析其耐压强度和流场是否满足设计要求，并建立了二维活塞的理论数学模型，分析了其流量和阀芯运动特性。　　（4）搭建了磁悬浮力矩马达驱动型二维(2D)高速开关阀的实验测试平台，研究磁悬浮力矩马达的静动态特性和整个高速开关阀的特性。实验结果表明：力矩马达在通入500安匝励磁电流时的输出力矩为0.65N·m，通入350安匝励磁电流时的阶跃响应时间可达到5ms;二维高速开关阀在额定压力21MPa下的输出流量可达138.3L/min，动态响应时间为10ms，满足设计要求。

关键词：电-机械转换器磁悬浮力矩马达拍合式电磁铁二维阀高速开关阀

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2D伺服阀电-机械转换器参数实时优化的自抗扰同步跟踪控制

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高技术通讯 2021年第12期31卷 1320-1330页

作者：陈滋凯李胜阮健张天聪陈鹏志浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室杭州310014

步进电机作为2D伺服阀电-机械转换器,在传统工作方式下存在分辨率和响应速度之间的矛盾且容易受扰动影响,新型控制器参数人工整定费时费力且难以取得满意的控制效果。为了解决这些问题,本文提出了参数实时优化的自抗扰同步跟踪控制算法(... 详细信息

步进电机作为2D伺服阀电-机械转换器,在传统工作方式下存在分辨率和响应速度之间的矛盾且容易受扰动影响,新型控制器参数人工整定费时费力且难以取得满意的控制效果。为了解决这些问题,本文提出了参数实时优化的自抗扰同步跟踪控制算法(AAP),其基于自适应遗传算法(AGA)的自动调节机制,能根据电-机械转换器被控过程的输出特性,在线校正和整定控制器参数;自抗扰位置控制器能有效抑制来自电-机械转换器内部电感、摩擦力,外部负载以及2D伺服阀工作的系统压力突变带来的各种干扰;同步跟踪控制实现了电-机械转换器转子在任意位置快速、精确的定位,成功解决分辨率和响应速度之间的矛盾。本文首先阐述电-机械转换器同步跟踪控制原理并建立了数学模型,然后介绍了AAP、自抗扰位置控制器设计及参数优化思路,最后为了检验方法的有效性并测试控制效果,用Matlab/Simulink对比例积分微分(PID)和AAP控制下的电-机械转换器仿真并对比分析,搭建了电-机械转换器和2D伺服阀测试平台。实验测得AAP控制的电-机械转换器上升时间为4.4 ms,对应-3 dB、-90°处的频宽约为240 Hz,控制的2D伺服阀上升时间为6.9 ms,对应-3 dB、-90°处的频宽约为105 Hz,相较于传统PID算法控制,具有更好的动态性能、频率特性及鲁棒性。

关键词：电-机械转换器自适应遗传算法(AGA) 参数实时优化自抗扰控制(AD-RC) 2D伺服阀

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考虑涡流与磁滞的高速开关阀电-机械转换器动态性能优化研究

考虑涡流与磁滞的高速开关阀电-机械转换器动态性能优化研究

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作者：李启正福州大学

学位级别：硕士

微小型高速开关阀因其功率密度高、响应迅速、能量损失小、对油液环境不敏感等优势,广泛应用于发动机燃油调节器、油气开采完井中,是数字液压元件中研究热点。作为高速开关阀的核心驱动部件,电-机械转换器用来驱动衔铁启闭阀芯,它的动... 详细信息

微小型高速开关阀因其功率密度高、响应迅速、能量损失小、对油液环境不敏感等优势,广泛应用于发动机燃油调节器、油气开采完井中,是数字液压元件中研究热点。作为高速开关阀的核心驱动部件,电-机械转换器用来驱动衔铁启闭阀芯,它的动态性能与高速开关阀的频响范围、流量特征密切相关,但目前电-机械转换器存在动态响应慢、能量损耗高等问题,因此开展电-机械转换器动态性能优化研究十分必要。电-机械转换器动态性能受到材料磁性、磁路结构、磁滞特性与电涡流效应等多种因素影响,涉及到了结构场、电磁场、热场等多个物理场间的相互作用,需构建可正确解析其多场耦合瞬态过程的理论模型,并综合仿真与试验手段,对电-机械转换器的结构型式及设计参数进行优化改进。本文基于该思路,开展如下研究: 首先,根据高速开关阀的性能要求,对电-机械转换器进行原理分析与结构方案设计,分析各物理场基础理论与参变量耦合关系,结合材料磁滞回线测试数据,辨识JilesAtherton磁滞模型,完成融合磁滞模型的电-磁-固-热多场耦合有限元仿真模型的建立,并通过试验手段对仿真模型进行验证。其次,分析磁滞特性与涡流效应对电-机械转换器电气特性、动态性能、能量损耗的重要影响与作用机理,揭示磁滞特性与涡流效应的关联性,并基于建立的多场耦合模型,在考虑涡流与磁滞下分析电-机械转换器的动态性能,并研究驱动频率、驱动电压、外电阻对电-机械转换器的性能影响规律。然后,涡流效应会降低电-机械转换器动态性能并增加能量损失,因此对磁路部件进行结构型式优化,提出了一种低涡流结构型式并进行分析验证。进一步通过含有磁滞特性的电-机械转换器数学模型,研究多参数关联作用对响应时间的影响特征,并使用遗传算法开展参数优化匹配,进一步优化原设计参数。最后,对低涡流优化结构样机与原始结构样机加工制造,搭建电-机械转换器性能测试试验台,在三组不同的驱动激励下,对原始样机与优化样机的驱动电流、电磁力、动态位移响应曲线进行比较,验证了低涡流结构的有效性;并针对低涡流结构样机优化效果有限的问题进行分析,提出改进思路。本文的创新之处在于,针对软磁材料的磁滞特性,构建融合Jiles-Atherton磁滞模型的多场耦合仿真模型,研究磁滞特性对动态性能的影响机理,揭示与涡流效应之间的耦合关系;在此基础上,开展低涡流结构型式与多参数匹配的优化研究,并对仿真模型与优化结构的可靠性进行了试验验证。

关键词：高速开关阀电-机械转换器涡流与磁滞结构优化参数匹配

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2D伺服阀步进电机式电-机械转换器控制研究

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高技术通讯 2020年第12期30卷 1300-1308页

作者：黄铁隆李胜阮健陈滋凯特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室(浙江工业大学) 杭州310014

为了解决2D伺服阀步进电机式电-机械转换器传统工作方式所存在的分辨率与响应速度之间的矛盾,同时,保证其在系统内部参数变化及外部扰动作用下也能具有良好的控制效果,本文提出了基于自抗扰控制(ADRC)的位置和电流双闭环同步跟踪控制算... 详细信息

为了解决2D伺服阀步进电机式电-机械转换器传统工作方式所存在的分辨率与响应速度之间的矛盾,同时,保证其在系统内部参数变化及外部扰动作用下也能具有良好的控制效果,本文提出了基于自抗扰控制(ADRC)的位置和电流双闭环同步跟踪控制算法。首先,阐述了步进电机式电-机械转换器的同步控制原理,建立了数学模型,设计了自抗扰控制器;其次,根据位置、电流双闭环同步跟踪控制算法,利用Matlab/Simulink对电-机械转换器进行了仿真分析,仿真结果表明,该电-机械转换器具有良好的动静态特性,同时在不同电感、摩擦力等内部参数变化以及外部脉冲干扰作用下也具有良好的控制能力,与传统PID控制相比具有较好的控制效果;最后,为了验证分析的正确性和控制算法的有效性,设计了该电-机械转换器的嵌入式控制系统,搭建了步进电机式电-机械转换器及2D伺服阀特性测试平台,电-机械转换器所测得的对应-3 dB、-90°的频宽为250 Hz,上升时间约为5 ms,实验结果和理论分析较吻合;采用该电-机械转换器的2D伺服阀所测得的对应-3 dB、-90°的频宽约为135 Hz,阶跃响应的上升时间约为8 ms,实验验证了在系统工作压力变化时,系统也具有良好的控制效果。理论分析和实验表明,该电-机械转换器在基于自抗扰控制的位置和电流双闭环同步跟踪控制算法下具有良好的动静态特性,同时具有良好的鲁棒性、抗干扰性。

关键词：电-机械转换器自抗扰控制(ADRC) 双闭环控制 2D伺服阀

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微小型二维(2D)高速开关阀及其电-机械转换器的设计与研究

微小型二维(2D)高速开关阀及其电-机械转换器的设计与研究

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作者：童俊钇浙江工业大学

学位级别：硕士

高速开关阀作为现代液压技术的重要控制元件之一，在航空航天、工程机械等专业领域中起到关键作用。相对于市面上流通的高速开关阀，采用二维（2D）螺旋伺服机构的微小型二维高速开关阀通过驱动电液活塞中的二维阀芯转动来调节阀芯敏感... 详细信息

高速开关阀作为现代液压技术的重要控制元件之一，在航空航天、工程机械等专业领域中起到关键作用。相对于市面上流通的高速开关阀，采用二维（2D）螺旋伺服机构的微小型二维高速开关阀通过驱动电液活塞中的二维阀芯转动来调节阀芯敏感腔内的高压油液来驱动主阀芯移动，而电液活塞是基于螺旋伺服原理以及传统二维阀的设计方法提出来的一种新型部件，电液活塞的作用是以二维阀芯输出轴向位移与轴向力。根据电机械转换器的结构不同，本文中设计了两种方案，一款是旋转电磁铁驱动式，另一款是力矩马达驱动式，本文根据二维（2D）阀的技术优势对这两种设计方案进行以下几点研究：　　（1）基于伺服机构原理，以阀体结构的微小型化为研究目标，总结国内外高速开关阀的研究现状，提出一种新型的微小型二维高速开关阀，根据电机械转换器的结构不同又分为两种方案，每一种方案在主阀模块和电液活塞模块两个方面分开阐述工作原理和结构设计。　　（2）对微小型二维高速开关阀的阀体最小厚度、主阀芯结构、动态碰撞赫兹应力、弹簧板强度等关键部件结构校核计算，保证微小型二维高速开关阀可以稳定工作。　　（3）基于电磁分析理论，分别推导出两种方案的微小型二维高速开关阀结构的电机械转换器数学模型，根据AMESim软件中的信号库、机械元件库和液压元件库组建微小型二维高速开关阀仿真模型，根据实际结构参数设置仿真参数，得到高速开关阀阶跃响应特性曲线。　　（4）使用Maxwell电磁分析软件仿真分析，根据电磁仿真分析结果在结构修改、工作激励范围选用和工作气隙三个方面进行模型优化，以获得最优输出力矩。　　（5）结合以上研究，搭建实验平台进行验证，测试压力-流量特性和阶跃响应特性，结合仿真分析结果验证研究成果性能。

关键词：高速开关阀伺服螺旋机构电-机械转换器

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新型旋转比例电-机械转换器静态特性研究

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仪器仪表学报 2019年第4期40卷 107-114页

作者：姜伟陈品超裘信国赖永江周见行浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室

针对传统旋转电-机械转换器静态特性线性度不高、工作范围小的问题,设计了一种新型旋转比例电-机械转换器,采用磁路解析、Maxwell 3D静磁场有限元分析和实验测试等方法研究了旋转比例电-机械转换器的静态特性,并加工了样机,进行了相关... 详细信息

针对传统旋转电-机械转换器静态特性线性度不高、工作范围小的问题,设计了一种新型旋转比例电-机械转换器,采用磁路解析、Maxwell 3D静磁场有限元分析和实验测试等方法研究了旋转比例电-机械转换器的静态特性,并加工了样机,进行了相关实验研究。实验结果表明,电-机械转换器工作范围为-5~5°,最大输出力矩约为±252 m N·m,具有正的磁弹簧刚度,实验与仿真的差值集中在9.6 m N·m以内,相对误差基本小于6%;电-机械转换器具有良好的重复精度,转角-力矩特性曲线非线性误差小于1.5%,滞环小于3.5%,电流-力矩特性曲线具有很好的线性度及较小的滞环,测试结果与仿真结果基本一致。

关键词：电-机械转换器静态特性磁路解析有限元分析环形气隙正磁弹簧刚度

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双向旋转比例电-机械转换器优化设计及性能研究

双向旋转比例电-机械转换器优化设计及性能研究

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作者：陈品超浙江工业大学

学位级别：硕士

电-机械转换器作为电液换向阀的关键部件,在电液控制系统中起着重要作用，广泛应用于军事、机床、矿山、冶金和工程机械等领域。电-机械转换的驱动能力直接影响电液伺服阀性能的好坏，提高电-机械转换器的性能可以改善电液伺服阀的性能... 详细信息

电-机械转换器作为电液换向阀的关键部件,在电液控制系统中起着重要作用，广泛应用于军事、机床、矿山、冶金和工程机械等领域。电-机械转换的驱动能力直接影响电液伺服阀性能的好坏，提高电-机械转换器的性能可以改善电液伺服阀的性能指标。在国家可持续发展战略的背景中，电液控制系统对电-机械转换器的驱动能力提出了更高的要求，改进电-机械转换器的性能一直是流体传动领域的研究热点。本文以旋转电-机械转换器为研究对象，采用磁路解析、Maxwell3D静磁场有限元分析和实验测试等方法研究了旋转电-机械转换器的性能，主要进行以下几个方面的工作：　　1.以电磁场理论为基础，建立了矩形工作气隙和环形工作气隙电-机械转换器等效磁路模型，得出了静态力矩表达式;建立了矩形气隙和环形气隙电-机械转换器有限元模型，仿真得到电-机械转换器的磁场分布情况和矩角特性，数学模型和有限元仿真结果一致。　　2.考虑到旋转电-机械转换器的性能提升、装配方便性、零部件之间的定位，对环形工作气隙电-机械转换器进行结构改进，轭铁由两部分设计成四部分，增加了线圈支架、隔磁块、端盖零部件;通过有限元仿真确定了径向气隙长度和隔磁块的结构参数，对优化后的电-机械转换器进行静磁场和瞬态磁场仿真，结果表明优化后的旋转电-机械转换器力矩得到提高，具有良好的动静态性能。　　3.加工了矩形气隙和环形气隙旋转电-机械转换器，搭建了实验台架，测试了两种工作气隙形状电-机械转换器的静态特性，实验结果表明环形气隙电-机械转换器具有更大的线性工作范围;加工了优化后的样机，搭建了其动静态特性测试台架，测试内容包括矩角特性、电流-力矩特性、频率响应及阶跃响应特性，实验结果与理论分析基本一致。

关键词：电-机械转换器换向阀磁路解析结构优化有限元仿真动静态特性

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机载二维（2D）电液换向阀及其电-机械转换器的设计与研究

机载二维（2D）电液换向阀及其电-机械转换器的设计与研究

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作者：孙明明浙江工业大学

学位级别：硕士

在现代航空技术的发展进程中,电液换向阀作为整个机载液压系统中必不可少的电液控制元件之一,对整个系统的性能及可靠性有着重要的影响。相比传统的直动式机载电液控制阀,采用二维(2D)结构的电液控制阀避免了电磁铁直接驱动主阀芯移动,... 详细信息

在现代航空技术的发展进程中,电液换向阀作为整个机载液压系统中必不可少的电液控制元件之一,对整个系统的性能及可靠性有着重要的影响。相比传统的直动式机载电液控制阀,采用二维(2D)结构的电液控制阀避免了电磁铁直接驱动主阀芯移动,而是采用驱动阀芯转动来调节阀芯敏感腔内的高压油液来驱动主阀芯移动的,因此具有重量小、耐高压、功重比高、驱动方便、抗污染等级高等优点,近年来广泛应用在航空航天领域。本文从实际需求出发,利用二维(2D)阀的技术优势设计了两种技术方案并对其进行如下几点的研究:(1)根据相应的技术要求设计了两种机载二维(2D)电液换向阀,提出了两种不同工作原理的电液换向阀设计方案,并完成了其阀体结构及电-机械转换器等模块的结构设计。(2)分别对两种阀用电-机械转换器建立相应的数学模型,并利用Maxwell软件进行磁场仿真研究,通过对影响磁路分布结构的因素进行变参数仿真,从而提高其输出扭矩。同时对其在高温环境下的热稳定性进行仿真研究,极端工况下两种电-机械转换器的热平衡温度均未超过85℃(3)对先导式二维(2D)电液换向阀的阀体耐压强度、阀口开度、主阀芯驱动力、复位弹簧等重要结构和部件进行校核计算,同时对该阀阀体的流场结构进行仿真研究。(4)针对先导式二维(2D)电液换向阀的工作原理设计了相应的实验方案,并对该阀的压力流量特性和动态响应特性,以及阀用电磁铁的输出特性和阶跃响应特性进行了实验研究,最大出口流量达到了112L/min,其他各项实验结果均满足设计要求。本文研究的先导式机载二维(2D)电液换向阀具有结构简单、流量大、功率重量比高、抗污染能力强等优点,在保证可靠性的前提下极大的提高了整个阀的功重比,特别适合应用在飞行器的液压系统中。

关键词： 2D阀换向阀电-机械转换器磁柱式电磁铁

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线圈外置式二维电-机械转换器的设计及数值模拟

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机械设计与研究 2017年第6期33卷 54-58页

作者：孟彬申屠胜男林琼阮健浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室杭州310014

提出了一种线圈外置式的新型二维电-机械转换器,在原有阀用力矩马达的基础上将衔铁和轭铁极靴翼面设计成轴对称的斜面,从而当衔铁轴向移动时获得电磁力矩,与液压放大部分相结合可构成力-位移反馈回路的2D导控式电液伺服阀。建立了该电-... 详细信息

提出了一种线圈外置式的新型二维电-机械转换器,在原有阀用力矩马达的基础上将衔铁和轭铁极靴翼面设计成轴对称的斜面,从而当衔铁轴向移动时获得电磁力矩,与液压放大部分相结合可构成力-位移反馈回路的2D导控式电液伺服阀。建立了该电-机械转换器的三维有限元模型,在Ansoft Maxwell平台上分析了其磁场分布,讨论了励磁安匝数、工作气隙、永磁体厚度和斜角等关键结构参数对驱动力矩-转角特性和反馈力矩-位移特性的影响,分析结果对于后续的工程设计具有较好的参考价值。

关键词：二维电-机械转换器数值模拟设计

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