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高速开关式数字阀的驱动器介绍
点击次数：1361 发布时间：2018-1-26
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*。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*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*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1µs；③输出力大，对于直径为12mm，长度为100mm的致动元件，输出力大于l700N；④抗压强度高，该致动元件抗压强度大于700MPa；⑤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*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*、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。