[发明专利]超磁致伸缩执行器驱动的单级直动式电液伺服阀

说明书

技术领域

本发明涉及超磁致伸缩材料的应用，属液压伺服控制技术领域。

背景技术

传统的两级电液伺服阀价格昂贵，制造工艺复杂，对使用环境要求严格。单级直动式电液伺服阀具有结构简单、价格低、响应快、抗污染能力强、可靠性高、无先导级泄漏、特性不受供油压力影响等性能优点，已经成为流体传动与控制领域的一个重要发展方向和竞争焦点。因此发展直动式单级电液伺服阀将有助于提高电液伺服阀的性能指标、改善电液伺服阀控制系统的控制特性以及更好地满足日益提高的市场需求，进而推动流体传动及控制技术的发展。

单级直动式电液伺服阀也称为DDV伺服阀，分为直动式电液流量伺服阀和直动式电液压力伺服阀两种。其中电液流量伺服阀最为常用，它在电-机转换器(力马达)和滑阀之间没有喷嘴挡板液压放大器，而是采用电-机转换器(力马达)直接驱动滑阀阀芯运动。

文献1(电液伺服阀技术，田源道著，航空工业出版社，2008.1：61～62)介绍了一种直动式电液流量伺服阀结构与工作原理，该阀主要由永磁差动线性力马达、圆柱式阀芯阀套组成的直线位移滑阀、位移传感器和集成模拟控制电路构成。马达由支撑弹簧、衔铁组件和控制线圈等零件组成并直接和阀芯连接，驱动阀芯运动。给马达线圈输入双向控制电流则马达产生与电流成比例的双向驱动力，则驱动力驱动阀芯双向运动。滑阀阀芯一端装有LVDT位移传感器，它把滑阀阀芯位移转换为电压信号并反馈到控制电路的输入端，与输入指令信号相比较，构成位移闭环控制。该阀由于采用永磁力马达作为电-机转换器驱动滑阀阀芯运动，与新型超磁致伸缩执行器比较，其频响较低，响应较慢，输出功率也较小。该阀采用差动变压器位移传感器作为反馈构成位移闭环，与半导体应变式位移传感器比较，其参与滑阀阀芯运动部分质量加大，因此该反馈形式进一步限制了伺服阀的频响。

超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material，简写为GMM)是一种新型的功能材料，具有应变大，响应速度快，能量传输密度高和输出力大等优异性能。目前该材料已在世界各先进国家引起广泛的注意，首先被用于水声换能器件的开发，并在海军、航海、海洋工程等领域的水下通信、海底油田探测及跟踪定位等方面已得到了应用。随后逐步开始应用于声纳、微位移控制、蠕动机械、超精密机床加工控制、新型电动机、机器人、传感器等新型器件中。

文献2(Takahiro Urai.Development of a vavle using a giant magnetostrictiveactuator.Proceeding of the sencond JHPS international symposium on fluid power.EditedbyT.Maeda.Tokyo，1993：131～135)所述，日本的Takahiro Urai等人用GMM转换器设计出了单级直动式伺服阀。它的原理是通过线圈中变化的电流产生磁场，使GMM棒伸缩，从而驱动与GMM转换器直接连接的阀芯产生位移，并且按照其位移量大小来控制阀口流量。此外，对应于GMM磁场的变形特性为非线性，用位置传感器和放大级使用PI闭环控制的方法加以调节和克服。它的特点是采用闭环控制，结构紧凑，精度高，响应快。与同类型的电液伺服阀相比其频响已明显提高，但由于GMM棒没有微位移放大，其行程较小，故该伺服阀控制流量较小，仅为2L/min。

GMM在其它流体控制元件中也有大量的应用，日本住友轻金属工业公司在柱塞式流体泵上利用超磁致伸缩执行器直接驱动活塞，现已制成形似一节电池那样的密闭型GMM泵(Dariusz A.Bushko，James H Goldie.High performancemagnetostrictive actuators.IEEE，AES Systems Magazine，November，1991：21～25)，该泵具有响应快和高精度控制流量等特点。德国E.Quandt等人利用超磁致伸缩薄膜的伸缩效应实现阀口的控制，从而设计出一种超磁致伸缩微型阀(Quandt E，Seemann K.Fabrication and simulation of magnetostrictive thin-film actuator.Sensorsand Actuators，1995，A50：105～109)；国内浙江大学利用GMM对气动喷嘴挡板阀、液压喷嘴挡板伺服阀和内燃机的高速强力电磁阀进行了机构设计和特性研究，其主要性能指标均高于传统结构控制阀。