CN102592780B - 基于弹性装置的动铁式电-机械转换器 - Google Patents

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Abstract

一种基于弹性装置的动铁式电-机械转换器，它主要包括：上弹性装置、下弹性装置、衔铁、转轴、永久磁钢、左导磁体、右导磁体、左导磁块、右导磁块、左控制线圈、右控制线圈和壳体，所述的衔铁固定在转轴上，转轴的上、下两端分别由结构相同的上弹性装置和下弹性装置支撑，上弹性装置和下弹性装置分别固定在壳体上，共同形成电-机械转换器的高刚度弹簧；左控制线圈、右控制线圈分别固定在左导磁体和右导磁体上；左导磁体与衔铁共同形成气隙δ 1 、δ 3，右导磁体与衔铁共同形成气隙δ 2 、δ 4；它具有频响高、精度高、输出线性好等特点。

Description

基于弹性装置的动铁式电-机械转换器
技术领域
本发明涉及一种基于弹性装置的动铁式电-机械转换器。
背景技术
电-机械转换器作为机电系统的核心部件，其频响是决定机电系统整体效率的关键因素之一，输出线性好、带载能力强的高频动铁式电-机械转换器一直是机电系统研究的重点之一。目前用于提高电-机械转换器频响的方法主要有三种。
其一，新型功能材料的应用。如采用压电陶瓷(PZT)、超磁致伸缩材料(GMM)等研制电-机械转换器。压电陶瓷(PZT)、超磁致伸缩材料(GMM)具有工作频率高、输出力大的性能优点，但压电陶瓷(PZT)存在零漂、滞回以及高压击穿等问题，超磁致伸缩材料(GMM)在应用中需要解决热补偿的问题，而且功能材料普遍存在输出位移偏小的不足。
其二，新结构的研究及结构参数优化。如以游丝为弹性支承的动铁式光学振镜电机的频响较高，但由于游丝的弹性后效等因素，其开环精度较差；Peter Selverstone等人发明的动铁式振动马达以扭转轴为刚性支撑，提高了频响，但在提高扭转轴刚度的同时也导致扭转轴的转动惯量增大，给频响的进一步提高带来困难；MOOG公司开发并应用于直动式电液伺服阀的高频线性力马达，其工作频率只达到几百赫兹；韩国Jinho Kim等人以永久磁钢代替钢制衔铁，提高了汽车发动机用螺线管电磁铁的响应速度，但该方法一般仅适用于开关型电-机械转换器；瑞士MDC Daetwyler公司发明的电-机械转换器，以两根高刚度的钢丝作为衔铁的支撑，钢丝同时起到高刚度弹簧的作用，有助于提高电-机械转换器的频响，但以钢丝为支撑，其输出线性不好。
此外，一些新的驱动方式或控制策略被提出并用于提高电-机械转换器的动态响应性能，如Lawrence Mianzo等人提出的预测控制法，Yang Li等人提出的动态非线性控制法等。但这些控制方法只是对电-机械转换器的动态性能进行了补偿，并不能从根本上改善其动态特性，而且在某些场合下并不适用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种频响高、精度高、输出线性好的基于弹性装置的动铁式电-机械转换器
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于弹性装置的动铁式电-机械转换器，它主要包括：上弹性装置、下弹性装置、衔铁、转轴、永久磁钢、左导磁体、右导磁体、左导磁块、右导磁块、左控制线圈、右控制线圈和壳体，所述的衔铁固定在转轴上，转轴的上、下两端分别由结构相同的上弹性装置和下弹性装置支撑，上弹性装置和下弹性装置分别固定在壳体上，共同形成电-机械转换器的高刚度弹簧；左控制线圈、右控制线圈分别固定在左导磁体和右导磁体上；左导磁体与衔铁共同形成气隙δ 1 、δ 3，右导磁体与衔铁共同形成气隙δ 2 、δ 4。永久磁钢产生极化磁场，使衔铁处于最佳工作状态，经调整，使衔铁在两个控制线圈未输入电流时处于中位和相对平衡状态，各气隙的长度一致。当左控制线圈和右控制线圈分别输入一定极性的电流时，产生控制磁场，控制磁场与极化磁场差动叠加，气隙δ 1 、δ 4的磁场增强，而δ 2 、δ 3的减弱，衔铁受力不再平衡，在电磁力矩的作用下，克服上弹性装置、下弹性装置的弹力矩和负载力矩，向磁场增强方向转动一个角度，直至电磁力矩与上弹性装置、下弹性装置的弹力矩和负载力矩达到平衡为止；当输入电流极性相反时，衔铁向另一方向转动。
所述的上弹性装置和下弹性装置分别包括：多片高刚度弹簧钢片、内圈、外圈和支座；高刚度弹簧钢片均经过热处理，其一端固定于内圈上，另一端固定于外圈上，且呈轮辐状对称布置，外圈固定于支座上；电-机械转换器装配时，将上弹性装置和下弹性装置的内圈分别固定于转轴上，支座固定于电-机械转换器的壳体上，上弹性装置和下弹性装置共同为转轴提供高刚度弹性支撑，形成电-机械转换器的高刚度弹簧。
所述的衔铁由多片菱形结构的软磁材料薄片叠合而成，并固定在转轴上，与由轻质材料加工而成的转轴共同组成电-机械转换器的衔铁组件。
所述的左导磁体和右导磁体分别由多片U形软磁材料薄片叠合而成。
所述的左控制线圈和右控制线圈分别由耐高温漆包线绕制而成。
本发明具有如下的有益技术效果：
1、采用弹性装置作为动铁式电-机械转换器的高刚度弹簧，提高弹性装置的刚度对衔铁组件的转动惯量的影响很小，有利于电-机械转换器频响的进一步提高，频响高，精度高，抗干扰能力强。
2、导磁体及衔铁均采用多片软磁材料叠合形式，在不影响其导磁性能及磁场分布特征的基础上，大幅度地减小涡流损耗，提高电-机械转换器的响应速度。
3、衔铁采用菱形结构，一方面增大磁极作用面积，另一方面改善输出特性的非线性现象；同时，将这种菱形叠合形式的衔铁固定于转轴上构成衔铁组件，结构简单紧凑。
4、采用双控制线圈，减小了控制线圈的电气时间常数，提高了电-机械转换器的响应速度，并有利于解决控制线圈的发热问题。
附图说明
图1为本发明的结构原理立体示意图；
图2为本发明衔铁组件及弹性装置的立体示意图；
图3为本发明弹性装置的俯视图；
图4为本发明弹性装置的正视图；
图5为本发明的磁路示意图。
图中的标号是：下弹性装置1，左导磁体2，左控制线圈3，上弹性装置4，转轴5，右控制线圈6，衔铁7，右导磁体8，左导磁块9，永久磁钢10，右导磁块11，外圈12，内圈13，高刚度钢片14，支座15。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1、2、3、4所示，本发明主要包括：下弹性装置1、左导磁体2、左控制线圈3、上弹性装置4、转轴5、右控制线圈6、衔铁7、右导磁体8、左导磁块9、永久磁钢10、右导磁块11和壳体(图中未示出)；所述的衔铁7固定在转轴5上，转轴5的上、下两端分别由结构相同的上弹性装置4和下弹性装置1支撑，上弹性装置4和下弹性装置1分别固定在壳体(图中未示出)上，共同形成电-机械转换器的高刚度弹簧；左控制线圈3固定在左导磁体2上，右控制线圈6固定在右导磁体8上；左导磁体2与衔铁7共同形成气隙δ 1 、δ 3，右导磁体8与衔铁7共同形成气隙δ 2 、δ 4。永久磁钢10产生极化磁场，使衔铁7处于最佳工作状态，经调整，使衔铁7在左控制线圈3和右控制线圈6未输入电流时处于中位和相对平衡状态，各气隙长度一致。
所述的衔铁7由多片菱形结构的软磁材料薄片叠合而成，并固定在转轴5上，与由轻质材料加工而成的转轴5共同组成电-机械转换器的衔铁组件。
所述的上弹性装置4和下弹性装置1分别由外圈12、内圈13、多片高刚度钢片14和支座15组成。多片高刚度弹簧钢片14均经过热处理，其一端固定于内圈13上，另一端固定于外圈12上，且呈轮辐状对称布置，外圈12固定于支座15上；电-机械转换器装配时，将上弹性装置4和下弹性装置1的内圈13分别固定于转轴5的两端上，上弹性装置4、下弹性装置1的支座15则分别固定于电-机械转换器的壳体(图中未示出)上，上弹性装置4、下弹性装置1共同为转轴5提供高刚度弹性支撑，形成电-机械转换器的高刚度弹簧。
图5，本发明的衔铁7处于中位时的磁力线分布图，其中三箭头所示为永久磁钢10产生的极化磁场的磁力线，双箭头所示为左控制线圈3和右控制线圈6产生的控制磁场的磁力线；当左控制线圈3和右控制线圈6分别输入一定极性的电流时，产生控制磁场，控制磁场与极化磁场差动叠加，气隙δ 1 、δ 4的磁场增强，而δ 2 、δ 3的减弱，衔铁7受力不再平衡，在电磁力矩的作用下，克服下弹性装置1和上弹性装置4的弹力矩和负载力矩，向磁场增强方向(图中弧形箭头方向)转动一个角度，直至电磁力矩与下弹性装置1和上弹性装置4的弹力矩和负载力矩达到平衡为止；当输入电流极性相反时，衔铁7向另一方向转动。
本发明实施例取永久磁钢10的材料为钕铁硼，衔铁7长度为25mm，气隙δ 1 、δ 2 、δ 3和δ 4的长度为0.3mm，上弹性装置4和下弹性装置1的高刚度弹簧钢片14的数量分别为4片，高刚度弹簧钢片14的厚度为0.3mm，长度为15mm，宽度为8mm，左控制线圈3和右控制线圈6的匝数均为55；实验结果表明，电-机械转换器的最大角位移为0.0065rad，其非线性度小于0.5%；导磁材料的磁滞特性导致电-机械转换器的静态特性存在磁滞现象，但滞回较小，约为1.8%；电-机械转换器的频响(-3dB)达10.5kHz。
本发明的等效变换均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于弹性装置的动铁式电-机械转换器，它包括：上弹性装置、下弹性装置、衔铁、转轴、永久磁钢、左导磁体、右导磁体、左导磁块、右导磁块、左控制线圈、右控制线圈和壳体，所述的衔铁固定在转轴上，其特征在于所述的转轴上、下两端分别由结构相同的上弹性装置和下弹性装置支撑，上弹性装置和下弹性装置分别固定在壳体上，共同形成电-机械转换器的高刚度弹簧；所述的左控制线圈、右控制线圈分别固定在左导磁体和右导磁体上；左导磁体与衔铁共同形成气隙δ 1 、δ 3，右导磁体与衔铁共同形成气隙δ 2 、δ 4；永久磁钢产生极化磁场，使衔铁处于最佳工作状态，经调整，使衔铁在两个控制线圈未输入电流时处于中位和相对平衡状态，各气隙的长度一致；当左控制线圈和右控制线圈分别输入一定极性的电流时，产生控制磁场，控制磁场与极化磁场差动叠加，气隙δ 1 、δ 4中的磁场增强，而气隙δ 2 、δ 3中的磁场减弱，衔铁受力不再平衡，在电磁力矩的作用下，衔铁克服上弹性装置、下弹性装置的弹力矩和负载力矩，向磁场增强方向转动一个角度，直至电磁力矩与上弹性装置、下弹性装置的弹力矩和负载力矩达到平衡为止；当输入电流极性相反时，衔铁向另一方向转动； 
所述的上弹性装置和下弹性装置分别包括：多片高刚度弹簧钢片、内圈、外圈和支座；高刚度弹簧钢片经过热处理，其一端固定于内圈上，另一端固定于外圈上，且呈轮辐状对称布置，外圈固定于支座上；电-机械转换器装配时，将上弹性装置和下弹性装置的内圈分别固定于转轴上，支座固定于电-机械转换器的壳体上，上弹性装置和下弹性装置共同为转轴提供高刚度弹性支撑，形成电-机械转换器的高刚度弹簧。
2.根据权利要求1所述的基于弹性装置的动铁式电-机械转换器，其特征在于所述的衔铁由多片菱形结构的软磁材料薄片叠合而成，并固定在转轴上，与由轻质材料加工而成的转轴共同组成电-机械转换器的衔铁组件。
3.根据权利要求1所述的基于弹性装置的动铁式电-机械转换器，其特征在于所述的左导磁体和右导磁体分别由多片U形软磁材料薄片叠合而成。
   4. 根据权利要求1所述的基于弹性装置的动铁式电-机械转换器，其特征在于所述的左控制线圈和右控制线圈分别由耐高温漆包线绕制而成。
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