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高速開關式數字閥的驅動器介紹
點擊次數：1454 發布時間：2018-1-26
高速開關閥之所以有很高的響應速度，是因為驅動閥心運動的驅動器響應速度*。根據所用驅動器的不同，高速開關閥可分為高速電磁閥、磁致伸縮式高速開關閥、電流變液式高速開關閥和壓電式高速開關閥。
(1)電磁式高速開關閥。電磁式高速電磁閥是以高頻電磁鐵為驅動元件，電磁閥的電磁部件由固定鐵心、動鐵心、線圈等部件組成。閥體部分由滑閥心、滑閥套、彈簧底座等組成。電磁線圈被直接安裝在閥體上，閥體被封閉在密封管中，構成一個簡潔、緊湊的組合。電磁鐵由PWM信號控制，輸入高電平時線圈通電，銜鐵與閥心連成一體，帶動閥心動作；輸入低電平時，磁心的運轉將導致通過閥體的流體被切斷，此時將通過彈簧復位。對于電磁鐵來說是帶電和失電，而對于所控制的閥門就是開和關。
高頻開關電磁鐵功率小、體積小、結構簡單、工作頻率很高。目前國內外開發的一些高速開關閥，大多仍采用電磁鐵作為驅動器，但閥的切換速度慢。
(2)磁致伸縮式高速開關閥。超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material)有別于傳統的磁致伸縮材料(Fe、co、Ni等)，典型商品牌號為Terfenol-D，代表成分為Tb 0.27、Dy 0.75、Fe 1.93。與壓電材料(PZT)及傳統的磁致伸縮材料Ni、Co等相比，超磁致伸縮材料具有以下*的性能：①室溫磁致伸縮應變量大，伸縮量可達0.15%以上，是鎳的40～50倍，是壓電陶瓷的5～8倍，轉換效率高，機電耦合系數可達到0.75，居里溫度高達380℃，工作溫度可達200℃；②用超磁致伸縮材料制備的器件驅動電壓低，工作時需低電壓驅動，而壓電陶瓷則需幾千伏的高壓驅動；③超磁致伸縮應用器件體積大大減少，并對磁化和應力幾乎即時響應（達到微秒級），可用于快速執行器件；④超磁致伸縮材料可承受高達200～700MPa的壓力，適于高壓力的執行器、大功率的聲換能器等，當外加磁場為80kA/m時，產生應力在29.4MPa以上，而壓電陶瓷無法承受較大的壓力；⑤不存在壓電陶瓷中失極化引起的失效問題，同時不存在老化、疲勞問題，因而具有很高的可靠性；⑥超磁致伸縮材料特別適用于低頻區工作，在0～5kHz范圍內能量轉換效率優于壓電陶瓷材料。
利用超磁致伸縮材料制作的超磁致伸縮制動器，不僅能克服傳統電致伸縮制動器反應速度慢、消耗功率大的缺點，而且其電動機轉換效率具有其他材料*的優勢。如在精密閥門、精密流體控制、數控機床、精密機床的進給系統方面，用精密制動器，位移度可達到納米級，響應速度快，輸出功率大，設計相對簡單。超磁致伸縮制動器與傳統制動器相比具有以下優點：①伸縮范圍（沖程）大，對于100mm長的致動元件，伸長量很容易達到100µm以上；②響應速度快，小于1µs；③輸出力大，對于直徑為12mm，長度為100mm的致動元件，輸出力大于l700N；④抗壓強度高，該致動元件抗壓強度大于700MPa；⑤工作電壓低，幾伏到幾十伏；⑥可靠性好，無疲勞老化；⑦使用溫度范圍寬，一般為0～70℃。
(3)電流變液式高速開關閥。電流變液體是一類懸浮體，其在強電場作用下的流變性質（如表現黏度、剪切應力等）可以增加幾個數量級，響應快而且可逆。將電流變液體應用于液壓控制系統，直接用電量來改變其黏度，可用于沒有機械運動部件的流體控制閥，閥的流量和壓降可直接由電場信號來調節。利用電流變液體的電流變效應代替傳統的電磁鐵，其性能（如速度響應等）要比電磁鐵優異。
電流變液控制系統與傳統的電液控制系統相比較，一個明顯的優點是消耗電能極少。這是因為控制系統在工作時盡管電壓較高，但電流十分微弱，是典型的“信號”控制。
電流變技術被*為具有巨大的工程應用前景，一旦被突破，將在汽車、機電、液壓技術和機器人等行業中引起技術革命。
(4)壓電式（電致伸縮）高速開關閥。壓電效應的原理包括兩方面：一方面壓電陶瓷在機械力作用下產生變形，引起表面帶電的現象，而且其表面電荷密度與應力成正比，這稱為正壓電效應；另一方面在壓電陶瓷上施加電場，會產生機械變形，而且其應變與電場強度成正比，這稱為逆壓電效應。如果施加的是交變電場，材料將隨著交變電場的頻率作伸縮振動。施加的電場強度越強，振動的幅度越大。正壓電效應和逆壓電效應統稱為壓電效應。
壓電陶瓷驅動器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，將電能轉變為機械能或機械運動。壓電陶瓷制動器具有體積小、位移分辨率*、響應速度快、輸出力大、換能效率高、不發熱、可采用相對簡單的電壓控制方式等特點。但其本身固有的一些特性會影響到輸出的精度和線性度。壓電陶瓷在電場的作用下有兩種效應：逆壓電效應和電致伸縮效應。在開關閥中利用其電致伸縮效應，實現閥心的移動。雖然壓電陶瓷驅動器提高了切換速度和頻率，但所需電壓高，消耗功率大。