资源描述：
J u n ．2 0 1 3 机床与液压 Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i n e e rin g V0 l _4 1 N o ．1 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 2 ． 0 0 3 Ana l y s i s o f Hy d r a u l i c Se r v o Va l v e To r q ue M o t o r wi t h M a g ne t i c Fl u i d Us i ng 3- Di me n s i o n a l Fi ni t e El e me nt M e t h o d Z H A N G Z h e n ， Z E N G We n ，H A N H a s i a o q i e r ，L I S o n g j i n g H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， S c h o o l of Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， H a r b i n 1 5 0 0 0 1 ，C h i n a 1 ． I nt r o d uc t i o n Ab s t r a c t As t h e e le c t r i c - me c h a n i s m c o n v e fle r 。t o r q u e mo t o r； s t h e k e y c o mp o n e n t o f t h e e l e c t r o h y d r a u l ic s e r v o v a l v e。l t s c h a r a c t e r is t i c s jn f l u e n c e t h e p e rf o r ma n c e o f s e r v o v a l v e s ig n i f ic an t ly ． Si n c e ma g n e t i c f l u id s h a v e l a r g er ma g n e t ic p e r me a bil i t y a n d b ig g e r ma g n e t i z a t io n i n t e n s i t y u n d e r a n e x t e r n a l ma g n e t i c f i e ld，t h e ma g n e t i c c ir c u i t e ff i c ie n c y o f t h e t or q M e mo t or a n d t h e d y n a mi c p erf o r ma n c e o f t h e s e r v o - v a l v e c a n b e i mp r o v e d b y a p p l y i n g a ma gn e t ic f l u id．T h i s p a p e r p r o - p o s e d a t h r e e - d i me n s i o n a 1 ． f i n it e - e l e me n t a n aly s i s mo d e I o f t or q u e mo t o r wi t h ma g n e t ic f l u i d ．Th e ma g n e t ic f ie l d d i s t r i b u t io n a n d t h e t or q M e c h a r a c t e r i s t ic s o f t h e t o r q u e mo t o r a r e s t u d ie d wi t h o r wit h o u t ma gn e t ic f l u i d s b y u s in g t h r e e- d i me n s io n a l f i n i t e e le me n t a n d a n a ly t i c a l me t h o d s ． T h e c o n c l u s i o n l s d r a wn t h a t t h e t o r qM e c h a r a c t er i s t i c s o f t h e t o r q M e mo t o r wit h ma g n e t ic f l u id c ou ld imp r o v e ma r k e d ly a s c o mp a r e d wi t h t h a t wit h ou t ma g n e t i c f l u id． K e y wo r d st o r q u e mo t o r ，s e r v o v a lv e，ma g n e t i c f l u id，t h r e e - d i me n s i o n a l f i n it e e le men t me t h o d S e r v o v a l v e i s a n i n di s pe n s a b l e e l e me n t t o hy d r a u l i c c o n t r o l s y s t e ms a n d i t s p e r f o r ma n c e h a s s i g - n i fic a n t i n fl ue nc e o n t h e p e rfo rm a n c e o f t h e s y s t e ms ． T o r q ue mo t o r，wh i c h c o n v e r t s e l e c t ric s i g n a l t o me - c h a n i c a l mo v e me n t ，i s a k e y e l e me n t o f t h e e l e c t ri c h y d r a u l ic s e r v o v a lv e [ 1 ] ． T h e m a g n e t i c fl u id M F i s a c o l l o i d al s o l u t i o n t h a t i s ma d e f r o m n a n o s c ale ma g n e t i c p a r t i c l e s wh i c h a r e wr a p p e d a n d d i s p e r s e d s y mme t ric a l l y i n t h e c o nt i n uo u s l i q u i d t h r o ug h s urfa c t a n t [ 2 ] ．S i n c e m a g n e t ic fl u i d h a s l a r g e r m a g n e ti c p e r me a b i l i t y a n d g r e a t e r ma g n e t i z a t i o n i n t e n s i t y u n d e r a n e x t e r n a l ma g n e t i c fi e l d，t h e e ffic i e n c y o f t o r q u e mo t o r ma g n e t i c c i r c u i t c a n b e i mp r o v e d b y p o u r i n g ma g n e t i c fl u i d i n t o t h e wo r k i n g g a p s o f s e r v o v a l v e t o r q u e mo t o r be t we e n t h e a rm a t u r e a n d c o r e s ．Th e r e f o r e，t h e ma g n e t i c t o r q u e o u t p u t o f t o r q u e mo t o r c a n Re c e i v e d2 0 1 21 12 6 N a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a 5 0 0 3 5 0 0 4 Z HANG Z h e n ． E ma i l c q g z z x c 1 6 3 ． c o n． b e i n c r e a s e d a n d t h e d y n a mi c p e rfo r ma n c e o f t o r q u e mo t o r c a n b e i mp r o v e d s i mu l t a n e o u s l y ． T h e t o r q u e mo t o r o f s e r v o v a l v e i s t h e p o l a riz e d e l e c t r o ma g n e t i c me c h a n i s m w i t h t h e i n t e r a c t i o n b e t we e n p e r ma n e n t ma g n e t s a n d e l e c t r o ma g n e t s ．On l y b y u s i n g t h e me t h o d o f fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s ．c a n p r e c i s e r e s u l t s o f ma g n e t i c fie l d d i s t rib u t i o n b e a c h i e v e d ． Th i s p a p e r i l - l u s t r a t e d t h e s t r u c t u r e a n d t h e wo r k i n g p ri n c i p l e o f s e r v o v a l v e t o r q ue mo t o r t o wh i c h ma g n e t i c f l u i d s a r e a d d e d．Th e e l e c t r o ma g ne t i c fie l d o f t o r q u e mo t o r i s a n aly z e d b y u s i n g t h e An s o f t Ma x w e l l 3 D s o f t w a r e ． T h e p a p e r c o mp a r e d t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s o f o u t p u t t o r q u e o f t h e t o r q u e mo t o r b e t w e e n t h e c a s e s wi t h a n d wi t h o u t ma g n e t i c flu i d s ． 2． S t r uc t ur e a n d wo r k i ng pr i nc i pl e o f t o r - q u e mo t o r T h e c o n s t ruc t i o n o f a t o r q u e mo t o r wi t h ma g n e t i c fl ui ds i s s h o wn i n Fi g． 1 ． T he t o r q ue mo t o r c o ns i s t s o f c o r e s ， a n a rm a t u r e， t wo c o i l s ， t wo pe rm a n e n t ma g n e t s a n d ma g n e t i c fl u i d s wh i c h a r e fi l l e d i n t o f o u r wo r k i n g g a p s b e t we e n t h e c o r e s a n d t h e a r ma t ur e ． Z HANG Z h e n，e t a l An a l y s i s o f Hy d r a u l i c S e r v o Va l v e T o r q u e Mo t o r wi t h Ma g n e t i c F l u i d U s i n g 3 Di me n s i o n a l F i n i t e E l e me n t Me t h o d l 1 Th e a r ma t u r e i s s u p po r t e d b y a s p r i n g pi pe whi c h k e e p s t h e a r ma t u r e a t mi d d l e p o s i t i o n b e t we e n t h e u p a n d d o wn c o r e s a n d c a n r o t a t e a r o u n d r o t a t i o n c e n t e r o f t h e s p rin g p i pe s l i g ht l y． T he s pa c e b e t we e n t h e u p p e r a n d l o w e r e n d s o f t h e a rm a t u r e a n d t h e c o r e s f o rms t h e f o u r w o r k i n g a i r g a p①， ②， ③ ， ④， w i t h t wo c o n t r o l l e d c o i l s t r a p pe d o n t h e a rm a t u r e． ① ④ a M F F i g ． 1 C o n s t r u c t i o n o f t o r q u e mo t o r w i t h MF I f t h e e l e c t ric p o we r o f t h e c o i l s i s t ur n e d o ff． t h e ma g n e t i c fi e l d s i n t h e f o u r wo r k i n g c l e a r a n c e s a r e d i s t ri b u t e d s y mme t ri c a l l y ． T h e o r e t i c a l l y．t h e r e wi l 1 n o t b e a n y o u t p u t t o r q u e fro m t h e mo t o r a n d t h e t o r q u e mo t o r wi l l s t a y a t t h e mi d d l e p o s i t i o n．I f t h e e l e c t ric po we r o f t h e c o i l s i s t urne d o n．t he t o r q ue no ． t o r w i l l w o r k u n d e r t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e e l e c ． t r o ma g n e t s a n d t h e pe rm a ne n t ma g n e t s ． As s h o wn i n Fi g ． 1，t h e ma g n e t i c i n t e n s i t y i n 2，4 wo r k i n g g a ps wi l l b e i n c r e a s e d a n d b e c o me l a r g e r t h a n t h o s e i n 1 ． 3 wo r k i n g g a p s ．T h e r e w i l l b e a n o u t p u t t o r q u e s u p - p l i e d f r o m t h e t o r q u e mo t o r t o t h e a r ma t u r e ． T h e t o r q u e mo t o r a rm a t u r e wi l l r o t a t e a n d d riv e t h e fl a p t o p r o d u c e a p r e s s u r e d i f f e r e n c e t o b o t h s i d e s o f t h e s p o o 1 ．1 ’} l e s p o o l wi l l mo v e t o a n e w p o s i t i o n wh e r e t h e o u t p u t t o r q u e o f t h e mo t o r e q u a l s t h e t o t a l o f t h e l o a d t o r q u e fr o m t h e s p ri n g p i p e a n d t h e f e e d b a c k t o r q u e fro m t h e f e e d b a c k r o d d u e t o t h e mo v e me n t o f t h e s p o o 1 ． Wh e n t h e e l e c t ric p o w e r o f t h e c o i l s i s t u rne d o ff，t h e ma g n e t i c fl u i d s wi l l b e a b s o r b e d i n w o r k i n g c l e a r a n c e s u n d e r t h e i n flu e n c e o f ma g n e t i c fie l d i n ． t e n s i t y whi c h i s c a u s e d b y p e rm a n e n t ma g n e t s ．W h e n t h e e l e c t ric p o we r o f t h e c o i l s i s t u rn e d o n，t h e ma g - n e t i c fl u i d s i n d i f f e r e n t c l e a r a n c e s wi l l b e ma g n e t i z e d t o d i f f e r e n t ma g n e t i c i n t e n s i t y u n d e r t h e i n t e r a c t i o n b e t we e n t h e e l e c t r o ma g n e t s a n d t h e p e rm a n e n t ma g n e t s ．As t h e p e r me a b i l i t y o f ma g n e t i c flu i d i s g r e a t e r t h a n t h a t o f a i r ．ma g n e t i c fi e l d i n t e n s i t y i n t h e wo r k ． i n g c l e a r a n c e s wi l l b e i n c r e a s e d a n d t h e wo r k i n g e f fi ． c i e n c y o f t o r q u e mo t o r w i l l b e i rep r o v e d ． 3 ． Pa r a me t e r s o f t h e t o r q ue mo t o r Th e s t r uc t u r a l p a r a me t e r s o f the t o r q u e mo t o r o f t h e s e r v o v a l v e a r e a s l i s t e d i n T a b ． 1 ． T a b ． 1 P a r a me t e r s o f t or q u e mo t o r pa r a me t e r s v a l u e L en g t h o f ma g ne t ／mm Wi d t h o f ma g n e t ／ mm W i d t h o f c o r e ／ mm T h i c k n e s s o f c o r e ／ mm L e n gth o f a r ma t u r e ／ mm Wi d t h o f a r ma t u r e ／ ram T h i c k n e s s o f a r ma t u r e ／ mm He i g h t o f c l e a r a n c e ／ mm Cr o s s s e c t i o n al a r e a o f c l e a r a n c e ／ mm2 Nu mb e r o f t u r n s o f t h e c 0 i 1 1 0 ． 4 1 8． 8 3 2 4． 2 2 32 2． 9 1 ． 33 0． 2 5 3 ． 9 x2 ． 9 4 Oo o 4 ．Thr e e d i me n s i o na l fin i t e e l e me nt a n a l y- s i s o f t h e t o r q ue mo t o r Th i s p a p e r a p p l i e d t h e An s o fl Ma x we l l 3 D s o ft wa r e t o a n aly z e t h e ma g n e t i c c i r c u i t o f t h e t o r q u e no - t o r ．Th e a n a l y s i s c o n s i s t s o f t h r e e pa r t s P r e p r o c e s s i n g，S o l u t i o n，a n d Po s t pr o c e s s i ng ． To b e g i n wi t h，t he p a p e r d e fin e d t h e ph y s i c a l g e o me t r y a n d ma t e ri al p r o p e rt i e s a n d s e t u p t h e e n t i r e mo d e l o f t h e fi n i t e e l e me n t a n aly s i s ．T h e mo d e l o f t h e t o r q u e mo t o r wa s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t o p a r a me t e r s i n T a b ． 1 a n d t h e 3 - D mo d e l i s s h o wn i n F i g ． 2 ． F i g ． 2 Mo d e l o f t o r q u e mo t o r u s i n g Ma x we l l 3 D F ur t h e r mo r e，t h e s i mu l a t i o n b o u nd a r y c o n d i t i o n s a r e d e s c ri b e d，i n c l u d i n g t h e h a n d l i n g o f b o u n d a ry c o n d i t i o n s ，s t i mu l a t i o n a n d t i me c h a n g e s ．T h e t y p e o f s t e a d y e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d Ma g n e t o s t a t i c a n a 1 ． y s i s i s c ho s e n t o s o l v e t h e p r o b l e m o f t o r q u e mo t o r ．A k i n d o f s t e e l i n t h e s o f t wa r e ma t e r i als l i b r a ry i s s e ． Hy d r o me c h a t r o ni c s En g i n e e rin g l e c t e d a s t h e ma t e r i a l o f t he a r ma t u r e a n d t h e c o r e Al n i c o 9 i s a s u b s t i t u t e o f t h e p e r ma ne n t ma g n e t ；t h e c o i l i s g e n e r a l l y s e t f o r t h e c o pp e r ma t e r i a l t h e a i r a n d a d d i n g t h e ma g n e t i c fl u i d i s s e t for t h e g a p ma t e r i a 1 ． S i n c e t he r e i s n o ma g n e t i c fl ui d i n An s o f t ma t e r i a l l i b r a r y。a n d t h e ma i n f u n c t i o n o f ma g n e t i c fl u i d a p pl i c a t i o n i s t o c h a ng i n g t h e ma g ne t i c p e rm e - a b i l i t y ，s o t h e B H c u r v e o f ma g n e t i c fl u i d n e e d s t o b e s e t ．B H c u r v e o f ma g n e t i c fl u i d w h o s e s a t u r a t i o n ma g n e t i z a t i o n i s 4 00 Gs i s s h o wn i n F i g ．3． 1 5 l O 0 5 O 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 日 F i g ． 3 B H e u r v e o f ma g n e t i c fl u i d wh o s e s a t u r a t i o n ma g n e t i z a t i o n i s 4 0 0 Gs As for t he l o a d i n g o f t he e x c i t a t i o n s o u r c e，t hi s p a p e r us e d t h e c ur r e n t e x c i t a t i o n s o ur c e a s t h e for m o f t h e e x c i t a t i o n s o u r c e．Th e i n p u t v a l ue o f t h e c u r ． r e n t i s t h e p r o d u c t i o n o f t h e c o i l t u r n s o f t h e t o r q u e mo t o r a n d t h e c u r r e n t v a l u e wh i c h i s a c t u a l l y a p pl i e d t o t h e c o i l ． Fo r e x a mp l e，g i v e n t h a t t h e n u mbe r o f c o i l t u r n s i s 4 0 0 0 a n d t h e a p p l i e d c u rre n t i s 0 ． 0 1 A， t h e s e t t i n g c u r r e n t i n t h e s i mu l a t i o n a n a l y s i s i s 4 0 A． T h e s e t t i n g o f t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s c a n c o n s t r a i n t h e d i s t ri b u t i o n o f t h e ma g n e t i c l i n e s o f f o r c e s o t h a t t h e b a c k g r o u n d c a n b e e x c l u d e d f r o m t h e s o l u t i o n r e ． g i o n o r s e t t o fl v a c uu m o r a i r ． An s o f t ha s t h e f un c t i o n o f a d a p t i v e me s h，wh i c h i s a n a d v a n t a g e o f t h e s o f t wa r e ．Mo r e o v e r ，a d a p t i v e t e c h no l o g y c a n a c h i e v e a r e a s o n a b l e d i s t rib u t i o n o f t h e g r i d u n i t ，r e s u l t i n g i n t h e i mp r o v e me n t o f t h e c al c u l a t i o n a c c u r a c y ．Ad a p t i v e me s h i n g i s a n i t e r a t i v e pr o c e s s t he p r o g r a m fir s t g e n e r a t e s a n i n i t i a l d wi t h f e we r u n i t s ， c alc u l a t e s t h e fi e l d p a r a me t e r s ， s e p a r a t e s t h e d f u r t he r i n s o me r e g i o ns a c c o r di n g t o t h e d i s t rib u t i o n o f fi e l d p a r a me t e r s 。t h e n c a l c u l a t e s t h e fi e l d a g a i n 『 5 ] ． 4． 2． So l u t i o n S o l v i n g p r o c e d u r e i s u s e d t o b u i l d t h e alg e b r a i c e q u a t i o n s f r o m t h e ma t h e ma t i c a l s i mu l a t i o n o f p h y s i - c a l p r o c e s s e s a n d t o o b t a i n t h e s o l u t i o n s，r e s u l t i ng i n a s e t o f ma g ne t i c f u n c t i o n v a l u e wh i c h d e s c rib e s t h e ma g n e t i c fi e l d i n t h e e n t i r e mo d e 1 ．Ma x w e l l 3 D c a n b e s o l v e d a u t o ma t i c all y b a s e d o n t h e t o r q u e mo t o r mo d e l a n d t h e g i v e n p a r a me t e r s ． P o s t p r o c e s s i n g c a n a c h i e v e t h e ma t h e ma t i c a l o p e r a t i o n o f t h e e x i s t i n g d a t a a n d d i s p l a y t h e s i mu l a - t i o n r e s u l t s gra p h i c a l l y ．I f w e r e g a r d fi n i t e e l e me n t a n aly s i s t o s i mul a t e e x p e r i me n t ， po s t - pr o c e s s i ng s h o u l d b e u s e d t o i d e n t i f y w h i c h me t h o d s h o u l d b e p r o v i d e d a n d w h a t k i n d o f r e s u l t s wi l l b e r e c o r d e d [ 6 ] ．I n t h e p o s t - p r o c e s s i n g o p t i o n s ， w e c a n o b s e r v e t h e s i n g l e p o i n t
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