伺服阀

电液伺服阀是一种自动控制阀，它既是电液转换组件，又是功率放大组件，其功用是将小功率的模拟量电信号输入转换为随电信号大小和极性变化、且快速响应的大功率液压能[流量(或)和压力]输出，从而实现对液压执行器位移(或转速)、速度(或角速度)、加速度(或角加速度)和力(或转矩)的控制。电液伺服阀通常是由电气一机械转换器、液压放大器(先导级阀和功率级主阀)和检测反馈机构组成的(见图1)。
 
        图1  电液伺服阀的组成
电气—机械转换器包括电流—力转换和力—位移转换两个功能。
典型的电气—机械转换器为力马达或力矩马达。力马达是一种直线运动电气一机械转换器，而力矩马达则是旋转运动的电气—机械转换器。力马达和力矩马达的功用是将输入的控制电流信号转换为与电流成比例的输出力或力矩，再经弹性组件(弹簧管、弹簧片等)转换为驱动先导级阀运动的直线位移或转角，使先导级阀定位、回零。通常力马达的输入电流为150～300mA，输出力为3～5N。力矩马达的输入电流为10~30mA，输出力矩为0.02～0.06N·m。
    伺服阀中所用的电气一机械转换器有动圈式和动铁式两种结构。
    1)动圈式电气—机械转换器
    动圈式电气—机械转换器产生运动的部分是控制线圈，故称为“动圈式”。输入电流信号后，产生相应大小和方向的力信号，再通过反馈弹簧(复位弹簧)转化为相应的位移量输出，故简称为动圈式“力马达”(平动式)或“力矩马达”(转动式)。动圈式力马达和力矩马达的工作原理是位于磁场中的载流导体(即动圈)受力作用。
动圈式力马达的结构原理如图2所示，永久磁铁1及内、外导磁体2、3构成闭合磁路，在环状工作气隙中安放着可移动的控制线圈4，它通常绕制在线圈架上，以提高结构强度，并采用弹簧5悬挂。当线圈中通入控制电流时，按照载流导线在磁场中受力的原理移动并带动阀芯(图中未画出)移动，此力的大小与磁场强度、导线长度及电流大小成比例，力的方向由电流方向及固定磁通方向按电磁学中的左手定则确定。图3为动圈式力矩马达，与力马达所不同的是采用扭力弹簧或轴承加盘圈扭力弹簧悬挂控制线圈。当线圈中通入控制电流时，按照载流导线在磁场中受力的原理使转子转动。   
         
     
                        图2  动圈式力马达 
         
                             
           图3  动圈式力矩马达
1—永久磁铁；2—内导磁体；3—外导磁体         1—永久磁铁；2—线圈；3—转子
4—线圈；5—弹簧
    磁场的励磁方式有永磁式和电磁式两种，工程上多采用永磁式结构，其尺寸紧凑。
    动圈式力马达和力矩马达的控制电流较大(可达几百毫安至几安培)，输出行程也较大[±(2～4)mm]，而且稳态特性线性度较好，滞环小，故应用较多。但其体积较大，且由于动圈受油的阻尼较大，其动态响应不如动铁式力矩马达快。多用于控制工业伺服阀，也有用于控制高频伺服阀的特殊结构动圈式力马达。
    2）动铁式力矩马达
动铁式力矩马达输入为电信号，输出为力矩。图4为动铁式力矩马达的结构原理图。
它由左右两块永久磁铁、上下两块导磁体1及4、带扭轴(弹簧管)6的衔铁5及套在线圈上的两个控制线圈3组成，衔铁悬挂在弹簧管上，可以绕弹簧管在4个气隙中摆动。左右两块永久磁铁使上下导磁体的气隙中产生相同方向的极化磁场。没有输入信号时，衔铁与上下导磁体之间的4个气隙距离相等，衔铁受到的电磁力相互抵消而使衔铁处于中间平衡状态。当输入控制电流时，产生相应的控制磁场，它在上下气隙中的方向相反，因此打破了原有的平衡，使衔铁产生与控制电流大小和方向相对应的转矩，并且使衔铁转动，直至电磁力矩与负载力矩和弹簧反力矩等相平衡。但转角是很小的，可以看成是微小的直线位移。

 
              图4  动铁式力矩马达的结构原理图
1一上导磁体；2一永久磁铁；3一线圈；4一下导磁体  5一衔铁；6一弹簧管；7一线圈引出线
    动铁式力矩马达输出力矩较小，适合控制喷嘴挡板之类的先导级阀。其优点是自振频率较高，动态响应快，功率、重量比较大，抗加速度零漂性好。缺点是：限于气隙的形式，其转角和工作行程很小(通常小于0.2mm)，材料性能及制造精度要求高，价格昂贵；此外，它的控制电流较小(仅几十毫安)，故抗干扰能力较差。