CN101572472A - 一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机，包括：内定子、外定子、磁钢组件、动圈绕组、动圈支架、端盖，其特征在于：磁钢组件为两个环形磁钢组件，通过高强度胶粘结于外定子的内壁上；内、外定子均采用高强度胶粘结于端盖上；端盖上加工有止口，实现内、外定子与端盖的机械定位；内、外定子与两个环形磁钢组件之间形成两个环形气隙；动圈绕组采用两套绕组，且两套绕组的匝数相等、绕向相反，每套绕组分别置于由内、外定子以及两个环形磁钢组件所构成的两个环形气隙中；动圈绕组采用铜包铝漆包线，动圈绕组的绕线方法采用多层平绕；动圈支架采用轻质、高强度、高耐温的尼龙棒；端盖上开有通孔。

Description

一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机

技术领域

本发明属于直线电机技术领域，具体涉及一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机。

背景技术

音圈电机(Voice Coil Motor，VCM)是动圈式直线直流电机的一种，其是依据洛伦兹力原理制造的一种直接驱动电机。即通电线圈在磁场中会受力，受力的大小与线圈中通过的电流的大小成正比。它除了和其它直线电机一样可避免旋转电机驱动中传动环节存在间隙等不足外，在理论上具有无限分辨率、无滞后、高响应、高加速度、高速度、体积小、力特性好、控制方便等优点，更适用于要求高加速度、高频激励、快速和高精度定位运动系统。

随着电液伺服系统在工业领域、以及航空、航天领域的广泛应用，对其的控制性能的要求也越来越高。电液伺服阀是电液伺服系统的核心部件，其性能的高低将很大程度上决定了整个电液伺服系统的性能。近年来，高频响电液伺服阀普遍采用永磁直线音圈电机直接液压滑阀的结构形式。为使电液伺服阀获得高频响、大流量的控制性能，这就要求作为驱动元件的永磁直线音圈电机具有更大的出力，以及更小的可动部分质量，即要求其有更小的电气时间常数和机械时间常数。

但是，传统结构的音圈电机，由于磁路设计不合理，导致永磁体的性能没有得到充分利用，以及动圈发热大，散热困难等，使得所设计的音圈电机体积大、出力小，无法满足在高频响、大流量电液伺服阀阀芯驱动中的要求。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机，通过对电机结构以及关键部件的设计创新，使所设计的永磁直线音圈电机，具有结构紧凑、高推力重量比、较小的电气时间常数等优点，以满足高频响、大流量电液伺服阀系统的要求。

为了实现上述目的，本发明的一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机，包括：内定子、外定子、磁钢组件、动圈绕组、动圈支架、端盖。

直线音圈电机的推力/重量比可定义为： $\frac{F_e}{m}=\frac{B_{\mathrm{\δ}}{\mathrm{LI}}_a}{m}$

其中：F_e为直线音圈电机的推力，B_δ为气隙磁密，L为动圈绕组的有效长度，I_a为绕组电流，m为动圈质量(包括动圈绕组质量和动圈支架质量)。若不考虑动圈支架质量，则

$\frac{F_e}{m}=\frac{B_{\mathrm{\δ}}{\mathrm{LI}}_a}{m}=\frac{B_{\mathrm{\δ}}{\mathrm{LI}}_a}{{\mathrm{\ρ}}_a{\mathrm{LS}}_a}=\frac{B_{\mathrm{\δ}}{J}_a}{{\mathrm{\ρ}}_a}$

其中：J_a为动圈绕组的电流密度，ρ_a为动圈绕组的密度。

从上式中可以看到：要使永磁直线音圈电机有较大的推力/重量比，应选择较大的B_δ、J_a、以及较小ρ_a。基于以上分析，本发明中通过合理的结构设计及运用合适的材料来使所设计的永磁直线音圈电机有较大的推力/重量比。

首先，通过合理的设计磁路结构，减少漏磁，来提高B_δ。磁路由内、外定子、两个环形磁钢组件、两个气隙组成。两个环形磁钢组件通过高强度胶粘结于外定子的内壁上，内、外定子均采用高强度胶粘结于端盖上。且端盖上加工有止口，从而实现内、外定子与端盖的机械定位。内、外定子与两个环形磁钢组件之间形成两个环形气隙。两个环形磁钢组件的充磁方向是相反的，因此在所述的两个环形气隙中的磁场方向是相反的，磁路为对称结构，漏磁小、气隙磁密均匀，使得所设计的永磁直线音圈电机推力均匀。

其中，所述的磁钢组件采用高性能钕铁硼永磁材料N42EH，采用径向充磁的环形磁钢，或采用六块平行充磁的瓦片形磁钢拼成的磁环。

其次，通过合理的设计动圈绕组，来提高J_a，并减小永磁直线音圈电机的电气时间常数。动圈绕组采用两套绕组，且两套绕组的匝数相等、绕向相反，且每套绕组分别置于由内、外定子以及两个环形磁钢组件所构成的两个环形气隙中。两套绕组可以独立工作，也可串联或并联工作。双绕组工作时所产生的磁通方向相反，可以相互抵消一部分，可以减少绕组的电感，且减少了电枢反应对气隙磁场的影响。在气隙中添加高耐温、低挥发性的磁性流体。磁性流体是一种新型的功能材料，它是由直径为纳米量级的磁性固体颗粒均匀分散到基载液中而形成的一种稳定的胶状液体，磁性流体既具有液体的流动性又具有固体材料的磁性。本发明中所使用的磁性流体为采用四氧化三铁为磁性固体颗粒、α烯烃合成油为基液的耐高温、低挥发性的磁性流体。磁性流体在磁场下发生磁化，可以提高气隙磁密，且便于动圈散热。所述的磁性流体也可采用以三氧化二铁为磁性固体颗粒、双酯基基液的耐高温、低挥发性的磁性流体。由于动圈绕组工作时始终是在磁性流体里，所以动圈绕组产生的热量直接传给磁性流体，由磁性流体再传给磁路系统散发出去。由于磁性液体的导热系数比空气高5～6倍，所以加入磁性流体后的动圈绕组的散热状况得到明显改善，磁性流体的存在还增强了动圈的阻尼性能。由于散热性能的提高，使所设计的电机可以选取更高的J_a

最后，通过合理的设计动圈机械结构，减少动圈支架的质量，选取较小的动圈绕组的密度ρ_a。为了减少动圈绕组的质量，动圈绕组采用铜包铝漆包线，铜包铝漆包线的密度约为常用的铜漆包线密度的三分之一。因此，动圈绕组采用铜包铝漆包线，可以大幅减少动圈绕组部分的质量。动圈绕组的绕线方法采用多层平绕，且绕制时在绕组的层间涂快干性绝缘胶，以提高动圈绕组的机械强度和可靠性。动圈支架采用采用轻质、高强度、高耐温的尼龙棒。

本发明的创新之处在于：

(1)磁路为对称结构，气隙磁密均匀，减少电机推力波动。

(2)定子磁钢采用高性能钕铁硼永磁材料；磁钢采用径向充磁的环形磁钢，或采用六块平行充磁的瓦片形磁钢拼成的磁环，且两个环状磁钢的充磁方向是相反的。

(3)将动圈绕组由两套绕组组成，且两套绕组的匝数相等、绕向相反，且每套绕组分别置于由内、外定子以及两个环形磁钢组件所构成的两个环形气隙中。其可以减小了动圈绕组的电感，从而减少了永磁直线音圈电机的电气时间常数，且可以增大动圈绕组的散热面积，便于动圈绕组的散热。

(4)动圈绕组采用铜包铝漆包线，可大幅减少动圈绕组的质量；动圈骨架采用轻质、高强度、高耐温的尼龙棒，可大幅减少动圈绕组的质量；永磁直线音圈电机可动部分质量的减少，可以减少永磁直线音圈电机的机械时间常数，提高系统的快速性，且动圈支架采用非导电材料后其在气隙磁场中运动不产生涡流损耗。

(5)端盖上开有通孔，其中可以放入线性可变差动变压器式位移传感器或电涡流式位移传感器，实现机电一体化。

本发明一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机，其优点及功效在于：对永磁直线音圈电机结构以及关键部件的设计创新，使所设计的永磁直线音圈电机，具有结构紧凑、高推力重量比、较小的电气时间常数以及机械时间常数。该电机与高精度的位移传感器和高性能的驱动控制器配合，可以实现高速、高精度的位置控制，可以用于高频响、大流量直驱伺服阀阀芯驱动控制。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的外定子的剖面图；

图3是本发明的内定子的侧视图及剖面图；

图4是本发明的动圈支架的剖面图；

图5是本发明的端盖的侧视图及剖面图。

图中具体标号如下：

1、外定子  2、内定子  3、动圈支架  4、动圈绕组  5、磁钢组件  6、端盖

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的高推力重量比的永磁直线音圈电机包括：外定子1、内定子2、动圈支架3、动圈绕组4、磁钢组件5、端盖6。

其中，外定子1采用高磁导的电工纯铁棒DT4，通过车削加工而成。如图2所示，外定子1的内壁通过车削加工了两个环形槽，用于实现外定子1与磁钢组件5的两个环状磁钢组件的机械配合。

其中，内定子2采用高磁导的电工纯铁棒DT4，通过车削加工而成。如图3所示内定子2的内壁加工了通孔，用于实现内定子2与端盖6的机械配合。

其中，动圈支架3采用轻质、高强度、高耐温的尼龙棒，通过车削加工而成。如图4所示在动圈支架的外壁的两端加工了两个环形槽，并且在其中分别放入动圈绕组4的两套绕组。动圈支架3在外定子1和内定子2以及磁钢组件4所形成的环形气隙中运动。

其中，动圈绕组4采用两套绕组，且两套绕组的匝数相等、绕向相反，且每套绕组分别置动圈支架3的两个环形槽中。动圈绕组采用铜包铝漆包线。且在气隙中添加高耐温、低挥发性的磁性流体，可以提高气隙磁密，且便于动圈散热。

其中，磁钢组件5采用高性能钕铁硼永磁材料N42EH，采用径向充磁的环形磁钢，或采用六块平行充磁的瓦片形磁钢拼成的磁环，且两个环状磁钢组件的充磁方向是相反的。

其中，端盖6采用硬铝合金LY2，通过车削加工而成。如图5所示，其上加工了两个止口，以实现外定子1和内定子2在径向的定位。在端盖6上开有通孔，其中可以放入线性可变差动变压器式位移传感器或电涡流式位移传感器，实现机电一体化。在端盖6上还沿圆周加工了8个螺纹安装口，来实现端盖6与其它机构的机械连接。

Claims (10)

1、一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机，包括：内定子、外定子、磁钢组件、动圈绕组、动圈支架、端盖，其特征在于：

所述的磁钢组件为两个环形磁钢组件，通过高强度胶粘结于外定子的内壁上；内、外定子均采用高强度胶粘结于端盖上；端盖上加工有止口，从而实现内、外定子与端盖的机械定位；内、外定子与两个环形磁钢组件之间形成两个环形气隙；

所述的动圈绕组采用两套绕组，且两套绕组的匝数相等、绕向相反，且每套绕组分别置于由内、外定子以及两个环形磁钢组件所构成的两个环形气隙中；

所述的动圈绕组采用铜包铝漆包线，动圈绕组的绕线方法采用多层平绕；

所述的动圈支架采用轻质、高强度、高耐温的尼龙棒；

所述的端盖上开有通孔。

2、根据权利要求1所述的一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机，其特征在于：所述的两个环形磁钢组件的充磁方向是相反的。

3、根据权利要求1所述的一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机，其特征在于：所述的两个环形气隙中的磁场方向是相反的。

4、根据权利要求1所述的一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机，其特征在于：所述的磁钢组件为高性能钕铁硼永磁材料N42EH，采用径向充磁的环形磁钢，或采用六块平行充磁的瓦片形磁钢拼成的磁环。

5、根据权利要求1所述的一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机，其特征在于：所述的动圈绕组的两套绕组为独立工作。

6、根据权利要求1所述的一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机，其特征在于：所述的动圈绕组的两套绕组为串联或并联工作。

7、根据权利要求1所述的一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机，其特征在于：所述的气隙中添加高耐温、低挥发性的磁性流体。

8、根据权利要求7所述的一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机，其特征在于：所述的磁性流体为采用四氧化三铁为磁性固体颗粒、α烯烃合成油为基液的耐高温、低挥发性的磁性流体。

9、根据权利要求7所述的一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机，其特征在于：所述的磁性流体为采用以三氧化二铁为磁性固体颗粒、双酯基基液的耐高温、低挥发性的磁性流体。

10、根据权利要求1所述的一种直接驱动阀用的高推力重量比的永磁直线音圈电机，其特征在于：所述的动圈绕组绕制时在绕组的层间涂有快干性绝缘胶。

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