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1.1 高速開關電-機械執行器的發展

上世紀中期開始，對于高速開關電磁鐵的研究就一直是高速開關閥研究的重點。英國LUCAS公司，美國福特公司，日本Diesel Kiki公司，加拿大多倫多大學等對傳統E型電磁鐵進行改進，提高了電磁力與響應速度。浙江大學研發了一種并聯電磁鐵線圈提高電磁力。試驗顯示電磁鐵的開關轉換時間與延遲都得到了明顯的縮短。芬蘭Aalto工程大學(Aalto University School of Engineering)研究了5種軟磁材料用于電磁鐵線圈的效果以及不同的匝數及尺寸對驅動力的影響。奧地利林茨大學(Johannes Kepler University Linz)對因加工誤差、摩擦力和裝配傾斜造成的電磁鐵性能差異進行了詳細的分析。

超磁滯伸縮材料與壓電晶體材料的應用為高速開關閥的研發提供了新的思路。瑞典用超磁致伸縮材料開發了一款高速燃料噴射閥。通過控制驅動線圈的電流，使超磁滯伸縮棒產生伸縮位移，直接驅動使閥口開啟或關閉，達到控制燃料液體流動的目的。這種結構省去了機械部件的聯接，實現燃料和排氣系統快速、精確的無級控制。超磁致伸縮材料對溫度敏感，應用時需要設計相應的熱抑制裝置和熱補償裝置。中國航天科技集團公司利用PZT材料鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷的逆壓電效應，研發了一款由PZT壓電材料制作的超高速開關閥，如圖2所示。該閥在額定壓力10MPa下流量為8L/min，打開關閉時間均小于1.7 ms。壓電材料脆性大，成本高，輸出位移小，容易受溫度影響，因此其運用受到限制。浙江大學歐陽小平等與南京工程學院許有熊等就壓電高速開關閥大流量輸出和疲勞強度問題設計了新的結構，并進行了仿真與實驗分析。

美國Purdue大學研制了一種創新型的高速開關閥電-機械執行器EAC(Energy coupling actuator)，如圖3所示。其包括一個持續運動的轉盤和一個壓電晶體耦合裝置。轉盤一直在順時針運動，通過左右兩個耦合機構分時耦合控制主閥芯的啟閉。試驗表明5ms內達到2mm的輸出行程。

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