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高速开关式数字阀的驱动器

时间:2019-11-23 18:46:41  来源:  作者:  浏览量: 6
简介: 高速开关式数字阀的驱动器 高速开关阀之所以有很高的响应速度,是因为驱动阀心运动的驱动器响应速度极高。根据所用驱动器的不同,高速开关阀可分为高速电磁阀、磁致伸缩式高速

高速开关式数字阀的驱动器

高速开关阀之所以有很高的响应速度,是因为驱动阀心运动的驱动器响应速度极高。根据所用驱动器的不同,高速开关阀可分为高速电磁阀、磁致伸缩式高速开关阀、电流变液式高速开关阀和压电式高速开关阀。

(1)电磁式高速开关阀。电磁式高速电磁阀是以高频电磁铁为驱动元件,电磁阀的电磁部件由固定铁心、动铁心、线圈等部件组成。阀体部分由滑阀心、滑阀套、弹簧底座等组成。电磁线圈被直接安装在阀体上,阀体被封闭在密封管中,构成一个简洁、紧凑的组合。电磁铁由PWM信号控制,输入高电平时线圈通电,衔铁与阀心连成一体,带动阀心动作;输入低电平时,磁心的运转将导致通过阀体的流体被切断,此时将通过弹簧复位。对于电磁铁来说是带电和失电,而对于所控制的阀门就是开和关。

高频开关电磁铁功率小、体积小、结构简单、工作频率很高。目前国内外开发的一些高速开关阀,大多仍采用电磁铁作为驱动器,但阀的切换速度慢。

(2)磁致伸缩式高速开关阀。超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material)有别于传统的磁致伸缩材料(Fe、co、Ni等),典型商品牌号为Terfenol-D,代表成分为Tb 0.27、Dy 0.75、Fe 1.93。与压电材料(PZT)及传统的磁致伸缩材料Ni、Co等相比,超磁致伸缩材料具有以下独特的性能:①室温磁致伸缩应变量大,伸缩量可达0.15%以上,是镍的40~50倍,是压电陶瓷的5~8倍,转换效率高,机电耦合系数可达到0.75,居里温度高达380℃,工作温度可达200℃;②用超磁致伸缩材料制备的器件驱动电压低,工作时需低电压驱动,而压电陶瓷则需几千伏的高压驱动;③超磁致伸缩应用器件体积大大减少,并对磁化和应力几乎即时响应(达到微秒级),可用于快速执行器件;④超磁致伸缩材料可承受高达200~700MPa的压力,适于高压力的执行器、大功率的声换能器等,当外加磁场为80kA/m时,产生应力在29.4MPa以上,而压电陶瓷无法承受较大的压力;⑤不存在压电陶瓷中失极化引起的失效问题,同时不存在老化、疲劳问题,因而具有很高的可靠性;⑥超磁致伸缩材料特别适用于低频区工作,在0~5kHz范围内能量转换效率优于压电陶瓷材料。

利用超磁致伸缩材料制作的超磁致伸缩制动器,不仅能克服传统电致伸缩制动器反应速度慢、消耗功率大的缺点,而且其电动机转换效率具有其他材料无法比拟的优势。如在精密阀门、精密流体控制、数控机床、精密机床的进给系统方面,用精密制动器,位移精确度可达到纳米级,响应速度快,输出功率大,设计相对简单。超磁致伸缩制动器与传统制动器相比具有以下优点:①伸缩范围(冲程)大,对于100mm长的致动元件,伸长量很容易达到100µm以上;②响应速度快,小于1µs③输出力大,对于直径为12mm,长度为100mm的致动元件,输出力大于l700N④抗压强度高,该致动元件抗压强度大于700MPa⑤工作电压低,几伏到几十伏;⑥可靠性好,无疲劳老化;⑦使用温度范围宽,一般为0~70℃。

(3)电流变液式高速开关阀。电流变液体是一类悬浮体,其在强电场作用下的流变性质(如表现黏度、剪切应力等)可以增加几个数量级,响应快而且可逆。将电流变液体应用于液压控制系统,直接用电量来改变其黏度,可用于没有机械运动部件的流体控制阀,阀的流量和压降可直接由电场信号来调节。利用电流变液体的电流变效应代替传统的电磁铁,其性能(如速度响应等)要比电磁铁优异。

电流变液控制系统与传统的电液控制系统相比较,一个明显的优点是消耗电能极少。这是因为控制系统在工作时尽管电压较高,但电流十分微弱,是典型的“信号”控制。

电流变技术被公认为具有巨大的工程应用前景,一旦被突破,将在汽车、机电、液压技术和机器人等行业中引起技术革命。

(4)压电式(电致伸缩)高速开关阀。压电效应的原理包括两方面:一方面压电陶瓷在机械力作用下产生变形,引起表面带电的现象,而且其表面电荷密度与应力成正比,这称为正压电效应;另一方面在压电陶瓷上施加电场,会产生机械变形,而且其应变与电场强度成正比,这称为逆压电效应。如果施加的是交变电场,材料将随着交变电场的频率作伸缩振动。施加的电场强度越强,振动的幅度越大。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。

压电陶瓷驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应,将电能转变为机械能或机械运动。压电陶瓷制动器具有体积小、位移分辨率极高、响应速度快、输出力大、换能效率高、不发热、可采用相对简单的电压控制方式等特点。但其本身固有的一些特性会影响到输出的精度和线性度。压电陶瓷在电场的作用下有两种效应:逆压电效应和电致伸缩效应。在开关阀中利用其电致伸缩效应,实现阀心的移动。虽然压电陶瓷驱动器提高了切换速度和频率,但所需电压高,消耗功率大。

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