高速開關(guān)式數(shù)字閥的驅(qū)動器

高速開關(guān)閥之所以有很高的響應(yīng)速度，是因為驅(qū)動閥心運動的驅(qū)動器響應(yīng)速度極高。根據(jù)所用驅(qū)動器的不同，高速開關(guān)閥可分為高速電磁閥、磁致伸縮式高速開關(guān)閥、電流變液式高速開關(guān)閥和壓電式高速開關(guān)閥。

(1)電磁式高速開關(guān)閥。電磁式高速電磁閥是以高頻電磁鐵為驅(qū)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(gòu)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(zhuǎn)將導(dǎo)致通過閥體的流體被切斷，此時將通過彈簧復(fù)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(guān)。

高頻開關(guān)電磁鐵功率小、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、工作頻率很高。目前國內(nèi)外開發(fā)的一些高速開關(guān)閥，大多仍采用電磁鐵作為驅(qū)動器，但閥的切換速度慢。

(2)磁致伸縮式高速開關(guān)閥。超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material)有別于傳統(tǒng)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(tǒng)的磁致伸縮材料Ni、Co等相比，超磁致伸縮材料具有以下獨特的性能：①室溫磁致伸縮應(yīng)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(zhuǎn)換效率高，機電耦合系數(shù)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(qū)動電壓低，工作時需低電壓驅(qū)動，而壓電陶瓷則需幾千伏的高壓驅(qū)動；③超磁致伸縮應(yīng)用器件體積大大減少，并對磁化和應(yīng)力幾乎即時響應(yīng)（達到微秒級），可用于快速執(zhí)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(zhí)行器、大功率的聲換能器等，當外加磁場為80kA/m時，產(chǎn)生應(yīng)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(qū)工作，在0～5kHz范圍內(nèi)能量轉(zhuǎn)換效率優(yōu)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(tǒng)電致伸縮制動器反應(yīng)速度慢、消耗功率大的缺點，而且其電動機轉(zhuǎn)換效率具有其他材料無法比擬的優(yōu)勢。如在精密閥門、精密流體控制、數(shù)控機床、精密機床的進給系統(tǒng)方面，用精密制動器，位移精確度可達到納米級，響應(yīng)速度快，輸出功率大，設(shè)計相對簡單。超磁致伸縮制動器與傳統(tǒng)制動器相比具有以下優(yōu)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(yīng)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(guān)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(zhì)（如表現(xiàn)黏度、剪切應(yīng)力等）可以增加幾個數(shù)量級，響應(yīng)快而且可逆。將電流變液體應(yīng)用于液壓控制系統(tǒng)，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(diào)節(jié)。利用電流變液體的電流變效應(yīng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁鐵，其性能（如速度響應(yīng)等）要比電磁鐵優(yōu)異。

電流變液控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電液控制系統(tǒng)相比較，一個明顯的優(yōu)點是消耗電能極少。這是因為控制系統(tǒng)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(shù)被公認為具有巨大的工程應(yīng)用前景，一旦被突破，將在汽車、機電、液壓技術(shù)和機器人等行業(yè)中引起技術(shù)革命。

(4)壓電式（電致伸縮）高速開關(guān)閥。壓電效應(yīng)的原理包括兩方面：一方面壓電陶瓷在機械力作用下產(chǎn)生變形，引起表面帶電的現(xiàn)象，而且其表面電荷密度與應(yīng)力成正比，這稱為正壓電效應(yīng)；另一方面在壓電陶瓷上施加電場，會產(chǎn)生機械變形，而且其應(yīng)變與電場強度成正比，這稱為逆壓電效應(yīng)。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(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。

壓電陶瓷驅(qū)動器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能或機械運動。壓電陶瓷制動器具有體積小、位移分辨率極高、響應(yīng)速度快、輸出力大、換能效率高、不發(fā)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(yīng)：逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)。在開關(guān)閥中利用其電致伸縮效應(yīng)，實現(xiàn)閥心的移動。雖然壓電陶瓷驅(qū)動器提高了切換速度和頻率，但所需電壓高，消耗功率大。