CN102142757A

CN102142757A - 插片式旋转电磁铁

Info

Publication number: CN102142757A
Application number: CN 201110056063
Authority: CN
Inventors: 孟彬; 阮健; 左强
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2031-03-09
Also published as: CN102142757B

Abstract

一种插片式旋转电磁铁，包括壳体、定子部件、转子部件、前端盖和后端盖，转子部件还包括转子硅钢片、转子保持架和转子轴，转子保持架安装在转子轴上，转子保持架的外圆周面上开有供转子硅钢片插接的均匀分布的转子插槽；定子部件包括第一定子保持架盖、第一定子保持架座、第二定子保持架盖、第二定子保持架座、定子硅钢片、第一线圈保持架、第二线圈保持架、第一控制线圈、第二控制线圈和永磁体，第一定子保持架下的所有齿和第二定子保持架下的所有齿需相互错开四分之一个齿距角；转子保持架、第一定子保持架盖、第一定子保持架座、第二定子保持架盖和第二定子保持架座均为绝缘材料成型。本发明能大大降低涡流损耗、提升动态性能。

Description

插片式旋转电磁铁

技术领域

本发明涉及属于流体传动及控制领域中2D数字伺服阀用的电-机械转换器，尤其涉及一种插片式旋转电磁铁。

背景技术

在电液伺服系统中，作为伺服阀关键部件的电-机械转换器由于工作行程较小，其性能主要追求电能与机械能转换的实时性和精度，也就是要求在保证一定的输出力/力矩的同时，尽量取得较高的动态响应。另外，在特殊环境下(如车载或者航空航天等应用场合)，还要求阀以及电-机械转换机构在保证输出功率的同时，能尽量减少外形尺寸和重量。

近年来，利用伺服螺旋机构原理工作的2D数字伺服阀因其具有结构简单，响应速度快，精度高，抗污染能力强等优点，而在金属材料试验机、地震模拟震动台以及相关航空航天领域得到了广泛应用。常规的2D数字伺服阀用电-机械转换器一般为按照交流伺服方式控制的两相混合式步进电机，其结构按照电机定子分相方式的不同可以分为轴向分相和径向分相两种，前者与后者相比有以下几个优点：第一、采用轴向分相，控制绕组可以用环形线圈，绕制和下线工艺简单，线圈漆皮不易受伤，电机的电气可靠性优于径向分相结构的电机；第二、轴向分相的电机可以采用O形密封圈对转子容腔进行密封，从而可以使得油液进入转子工作腔，使其成为“湿式”的电-机械转换器，将其直接与2D数字阀相连，可构成所谓的直动阀，有利于结构设计及取消动密封；第三、径向分相结构由于要留出空间绕制线圈，其定子空间无法全部用于开齿。而轴向分相结构整个定子圆周上可全部开齿，提高了有效空间的利用情况，从而提升了电机的输出力矩。

在交流控制方式下工作的电机(或电磁铁)都存在涡流的问题，一般通过将定转子铁芯叠片的方式来降低涡流损耗。然而轴向分相式电机的定转子由于不能像径向分相结构那样沿轴向叠片而只能采用整体式结构，在交流方式控制下涡流效应严重，使得电机损耗及温升增高；涡流还对控制绕组内电流的变化起到一定的阻碍作用，影响了电机的动态性能；另外，其定转子整体式结构的特点也决定了必须要使用整块金属作为铁芯的软磁材料，从而使得重量居高不下，影响了整机的功率重量比。

发明内容

为了克服已有电-机械转换器的存在严重涡流损耗、动态性能较差的不足，本发明提供一种大大降低涡流损耗、提升动态性能的插片式旋转电磁铁。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种插片式旋转电磁铁，包括壳体、定子部件、转子部件、前端盖和后端盖，所述壳体两端分别安装前端盖和后端盖，所述定子部件和转子部件位于壳体内，所述定子部件位于转子部件外侧，所述转子部件的转子轴的两端分别通过轴承安装在前端盖和后端盖内，所述转子部件还包括转子硅钢片、转子保持架和转子轴，所述转子保持架安装在转子轴上，所述转子保持架的外圆周面上开有供所述转子硅钢片插接的均匀分布的转子插槽；

所述定子部件包括第一定子保持架盖、第一定子保持架座、第二定子保持架盖、第二定子保持架座、定子硅钢片、第一线圈保持架、第二线圈保持架、第一控制线圈、第二控制线圈和永磁体，所述第一定子保持架座和第二定子保持架座均为一端开口的杯形体，第一定子保持架盖和第二定子保持架盖均为圆盘体，第一定子保持架盖和第一定子保持架座相互连接构成第一定子保持架，第一线圈保持架位于第一定子保持架的空腔内，所述第一控制线圈环绕在第一线圈保持架上组成电流励磁的一相；所述第二定子保持架盖和第二定子保持架座相互连接构成第二定子保持架，所述第二线圈保持架位于所述第二定子保持架的空腔内，所述第二控制线圈环绕在第二线圈保持架上组成电流励磁的另一相；所述永磁体位于所述第一定子保持架和第二定子保持架之间；

所述定子硅钢片包括横边和两个直边，所述两个直边分别与所述横边的两端相接，所述杯形体外圆周面开有供所述定子硅钢片插接的均匀分布的定子插槽，所述定子插槽的轴向两端形状各自错开半个齿距角，所述定子插槽中间为连接过渡槽，所述杯形体的内底面上开有和杯形体外圆周面上定子插槽一端连通的第一辅助槽，所述第一辅助直槽沿径向均匀分布；所述圆盘体的一面开有沿径向均匀分布的第二辅助槽，所述第二辅助槽与所述杯形体外圆周面上定子插槽的另一端连通，所述定子硅钢片的横边插接在所述定子插槽内，所述定子硅钢片的两个直边分别插接在所述第一辅助槽和第二辅助槽内；

第一定子保持架下的所有齿和第二定子保持架下的所有齿需相互错开四分之一个齿距角；

所述转子保持架、第一定子保持架盖、第一定子保持架座、第二定子保持架盖和第二定子保持架座均为绝缘材料成型。

本发明中的“齿”是指定子硅钢片或转子硅钢片插入定子保持架或转子保持架后形成的类似于步进电机定转子的双凸齿结构；“齿距角”是指相邻两齿中心线的夹角。

进一步，所述转子插槽为矩形直槽，所述定子插槽的两端为矩形直槽，所述第一辅助槽和第二辅助槽为矩形直槽，所述定子插槽的宽度与所述第一辅助槽、第二辅助槽的宽度相等。当然，所述转子插槽、定子插槽、第一辅助槽和第二辅助槽均可以采用其他形状。

再进一步，所述过渡槽为圆弧槽，圆弧槽便于实现良好的过渡，当然，也可以采用斜槽等其它方式。

所述转子保持架、第一定子保持架盖、第一定子保持架座、第二定子保持架盖和第二定子保持架座均为增强尼龙材料注塑成型。本实施例的绝缘材料可以有多重选择，当选择增强尼龙材料时，由于其密度比金属材料轻，在保证一定的结构强度和刚度的同时大大减轻了重量，有利于提高整机的功率重量比；当然，也可以选择其他常用的绝缘材料。

更进一步，所述第一定子保持架盖和第二定子保持架盖的外圆面伸出沿圆周径向均匀分布的四个凸台，在第一定子保持架座和第二定子保持架座的杯口端面处开有和第一定子保持架盖、第二定子保持架盖凸台相配合的凹槽。采用凸台和凹槽配合方式实现了一种连接方式，当然，也可以采用其他连接方式。

本发明的有益效果主要表现在：1、定转子采用插片式结构，可有效的减轻电磁铁的涡流损耗，降低整机的温升，缓解发热问题，同时也使得前述增强尼龙材料定转子保持架的应用成为可能；2、定转子的插片式结构，在降低电磁铁涡流的同时提升了其动态性能；3、占整机绝大部分体积的定转子保持架均为增强尼龙材料经注塑成型，在保证一定的结构强度和刚度的同时大大减轻了重量，有利于提高整机的功率重量比。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

图2为本发明的第一定子保持架座结构示意图，第二定子保持架座与其完全相同。

图3为本发明的第一定子保持架盖结构示意图，第二定子保持架盖与其完全相同。

图4为本发明的第一定子保持架盖和第一定子保持架座相互连接而成的第一定子保持架的结构示意图。第二定子保持架与其完全相同。

图5为本发明的定子硅钢片的结构示意图。

图6为本发明的转子保持架的结构示意图。

图7为本发明的转子硅钢片的结构示意图。

图8a，8b，8c，8d和8e为本发明的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图8e，一种插片式旋转电磁铁，包括第一定子保持架盖15、第一定子保持架座5、第二定子保持架盖14、第二定子保持架座12、定子硅钢片16、第一线圈保持架7、第二线圈保持架13、第一控制线圈6、第二控制线圈9、永磁体8、转子硅钢片17、转子保持架4、转子轴3、壳体18、前端盖1、后端盖10和轴承2、11。其中第一定子保持架盖15、第一定子保持架座5、第二定子保持架盖14、第二定子保持架座12和转子保持架4为高强度的增强尼龙材料注塑成型(当然，也可以采用其他绝缘材料)，可以在保持一定的强度和刚度的同时，大大减轻整机重量，有利于提高整机的功率重量比。壳体18为定子部件的基体，用来支撑和容纳其他定子零部件。第一定子保持架盖15、第一定子保持架座5、第二定子保持架盖14、第二定子保持架座12均布置在转子外圈，第一定子保持架盖15和第一定子保持架座5相互连接构成第一定子保持架，第一线圈保持架7位于第一定子保持架的空腔内，第一控制线圈6环绕在第一线圈保持架7上组成电流励磁的一相；第二定子保持架盖14和第二定子保持架座12相互连接构成第二定子保持架，第二线圈保持架13位于第二定子保持架的空腔内，第二控制线圈9环绕在第二线圈保持架13上组成电流励磁的另一相；永磁体8位于上述的第一定子保持架和第二定子保持架之间且被轴向磁化成N极和S极。

本实施例中的“齿”是指定子硅钢片或转子硅钢片插入定子保持架或转子保持架后形成的类似于步进电机定转子的双凸齿结构；“齿距角”是指相邻两齿中心线的夹角。

如图2、图3、图4和图5所示，第一定子保持架座5和第二定子保持架座12均为一端开口的杯形体，杯形体外圆周面开有均匀分布的定子插槽，其轴向两端形状为矩形直槽且要求各自错开半个齿距角，中间的连接过渡形状为过渡槽(优选为圆弧槽)，所述过渡槽的宽度和两端直槽相等；杯形体的内底面上开有和外圆面上插槽连通的第一辅助槽，所述第一辅助槽的宽度和外圆周面上定子插槽两端的直槽宽度相等，且沿径向均匀分布。第一定子保持架盖15和第二定子保持架盖14均为圆盘体，其一面开有沿径向均匀分布的第二辅助槽，其形状和第二定子保持架座12内底面上的第一辅助槽相同。另外，第一定子保持架盖15和第二定子保持架盖14的外圆面伸出沿圆周径向均匀分布的四个凸台，在第一定子保持架座5和第二定子保持架座12的杯口端面处开有和第一定子保持架盖15、第二定子保持架盖14的凸台相配合的凹槽，从而使得当第一定子保持架盖15和第一定子保持架座5连接形成第一定子保持架时，第一定子保持架盖15的第二辅助槽正对与其连接的第一定子保持架座5杯口端的直槽，且两者在圆周径向上不会发生相互运动；第二定子保持架盖14和第二定子保持架座12连接形成第二定子保持架时，第二定子保持架盖14的第二辅助槽正对与其连接的第二定子保持架座12杯口端的直槽，且两者在圆周径向上不会发生相互运动。定子硅钢片16为冷冲压成型，其横边形状尺寸和第一定子保持架、第二定子保持架上的定子插槽相同，其直边形状尺寸分别和杯形体的内底面上第一辅助槽、圆盘体上的第二辅助槽相同；定子硅钢片16以稍微过盈的配合插入第一定子保持架、第二定子保持架、第一定子保持架盖和第二定子保持架盖上的插槽以构成产生电磁力矩所必需的定子凸齿结构。

为了实现电磁铁的连续转动，第一定子保持架座5直槽段的齿和第一定子保持架盖15直槽段的齿依靠其插槽限位相互错开半个齿距角；第二定子保持架座12直槽段的齿和第二定子保持架盖14直槽段的齿依靠其插槽限位相互错开半个齿距角；装配时永磁体位于第一定子保持架和第二定子保持架之间，且第一定子保持架下的所有齿和第二定子保持架下的所有齿需相互错开四分之一个齿距角。

如图6和图7所示，转子保持架4的外圆周面上开有一定深度且均匀分布的矩形插槽；转子硅钢片17为冷冲压成型，其形状尺寸和转子保持架上的齿槽相同，装配时以稍微过盈的配合插入转子保持架4上的插槽以构成产生电磁力矩所必需的转子凸齿结构。转子保持架4安装在转子轴3上，转子轴3的两端分别安装在前端盖1和后端盖10上。

在电磁铁定转子的外径尺寸一定的情况下，定转子插齿的齿数越多(定子硅钢片16和转子硅钢片17的片数越多)，齿距角的值越小，电磁铁的响应速度越高，动态性能越好。另外，齿距角的减小使得第一定子保持架座5和第二定子保持架座12上转子插槽分布数增多，间接增大了每条插槽连接过渡段的圆弧半径，插片时减轻了定子硅钢片的弯曲程度，有利于电磁铁的整体装配。

可以看到，由于这种插片式的结构，定子保持架下的硅钢片和转子保持架的硅钢片其实构成了一个个独立的磁回路，而且片与片之间的磁回路互不影响。下面以任意一个独立磁路为例，阐述本电磁铁的工作原理：

如图1和图8a所示，从右往左，第一定子保持架、第二定子保持架和转子保持架4形成四段环形的工作气隙δ₁、δ₂、δ₃和δ₄。当第二控制线圈9、第一控制线圈6不通电流的时候，工作气隙δ₁、δ₂、δ₃和δ₄内只有永磁体产生的极化磁场，由于定子保持架内的插齿分别错齿，因而整个永磁磁路的总磁导与转子位置无关，电磁铁不产生转矩；令图8a所示的转子位置为初始位置，当第二控制线圈9、第一控制线圈6通入如图8b所示⊙方向(沿纸面向外)的电流时，电流控制磁场与永磁极化磁场在工作气隙δ₁、δ₂、δ₃和δ₄中相互叠加，其中工作气隙δ₁和δ₄下控制磁场与永磁极化磁场方向相同，磁场强度增强；工作气隙δ₂和δ₃下电流磁场与永磁极化磁场方向相反，磁场强度减弱，此时整个转子受到顺时针的力矩转过1/4转子齿距角而处于图8b所示的位置；当第二控制线圈9通入

方向(沿纸面向里)的电流而第一控制线圈6的电流方向不变时，工作气隙δ₁和δ₃下磁场强度增强；工作气隙δ₂和δ₄下磁场强度减弱，此时转子继续受到顺时针的力矩转过1/4转子齿距角而处于图8c所示的位置；同理当第二控制线圈9和第一控制线圈6都通入

方向的电流时，工作气隙δ₂和δ₃下电磁场强度增强，工作气隙δ₁和δ₄下磁场强度减弱，此时转子受到顺时针的力矩再转过1/4转子齿距角而处于图8d所示的位置；当第二控制线圈9通入⊙方向电流而第一控制线圈6通入

方向电流时，工作气隙δ₂和δ₄下电磁场强度增强，工作气隙δ₁和δ₃下磁场强度减弱，此时转子顺时针再转过1/4转子齿距角而处于图8e所示的位置。可以看到，在电流控制磁场和永磁极化磁场的差动叠加下，每经过四种通电方式变化，转子就会转过一个齿距角。重复上述通电方式，转子就会以1/4转子齿距角的步距顺时针方向连续旋转下去；改变通电方式，也可以实现转子的逆时针方向运动。

上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种插片式旋转电磁铁，包括壳体、定子部件、转子部件、前端盖和后端盖，所述壳体两端分别安装前端盖和后端盖，所述定子部件和转子部件位于壳体内，所述定子部件位于转子部件外侧，所述转子部件的转子轴的两端分别通过轴承安装在前端盖和后端盖内，其特征在于：所述转子部件还包括转子硅钢片、转子保持架和转子轴，所述转子保持架安装在转子轴上，所述转子保持架的外圆周面上开有供所述转子硅钢片插接的均匀分布的转子插槽；

2.如权利要求1所述的插片式旋转电磁铁，其特征在于：所述转子插槽为矩形直槽，所述定子插槽的两端为矩形直槽，所述第一辅助槽和第二辅助槽为矩形直槽，所述定子插槽的宽度与所述第一辅助槽、第二辅助槽的宽度相等。

3.如权利要求1或2所述的插片式旋转电磁铁，其特征在于：所述过渡槽为圆弧槽。

4.如权利要求1或2所述的插片式旋转电磁铁，其特征在于：所述转子保持架、第一定子保持架盖、第一定子保持架座、第二定子保持架盖和第二定子保持架座均为增强尼龙材料注塑成型。

5.如权利要求1或2所述的插片式旋转电磁铁，其特征在于：所述第一定子保持架盖和第二定子保持架盖的外圆面伸出沿圆周径向均匀分布的四个凸台，在第一定子保持架座和第二定子保持架座的杯口端面处开有和第一定子保持架盖、第二定子保持架盖凸台相配合的凹槽。