CN102594071B - 磁路对称的轴向分相式高速旋转电磁铁 - Google Patents

Abstract

一种磁路对称的轴向分相式高速旋转电磁铁，包括壳体、定子部件、转子部件、前端盖和后端盖，在整体式定子保持架上依次分布有第一插槽、第二插槽和第三插槽；第一定子插片插接在相邻的第一插槽和第二插槽内，第一插槽和第二插槽之间环绕励磁线圈，第一插槽和第二插槽之间错齿1/2的齿距角，第二插槽与第三插槽彼此错齿1/4的齿距角；永磁体放置于第二插槽和第三插槽之间；转子部件还包括转子保持架和转子插片，转子保持架外圆周面上开有供转子插片插入的插槽，将整个转子保持架的圆周径向等分为四个区域，每个区域均匀分布数目相等的插槽且要求各自两两错开半个齿距角。本发明能提高动态响应、定位精度较高、降低成本。

Description

磁路对称的轴向分相式高速旋转电磁铁

技术领域

本发明涉及属于流体传动及控制领域中2D数字阀用的电-机械转换器，尤其涉及一种磁路对称的轴向分相式高速旋转电磁铁。

背景技术

近年来，基于液压伺服螺旋原理的2D阀因具有抗污染能力强、响应速度快、结构简单、精度高、无需弹性元件、导控级零位泄漏极小和生产成本低的优点，视应用场合而定可构成2D换向阀、2D电液比例阀、2D电液伺服阀等从低端到高端的全系列流体控制元件，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等得到了广泛应用。2D阀采用直接数字控制技术，常用的电-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。

一般而言，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，如要限制这种涡流效应，必须采取措施将定转子铁芯在一定的部位切断，使其沿圆周方向不能形成涡流。为此，也有专利提出利用增强尼龙等塑料材料作为定转子保持架，通过插片的方式构成低涡流高动态的轴向分相式电机。

无论是整体式结构还是插片式结构的轴向分相式电机，其基本工作原理都是将定子的一相或两相分置于永磁体的一侧或两侧(一般阀用电-机械转换器定子相数为单相或者两相，相数过多会导致控制成本增加，因而很少采用)，定子依次和转子构成若干段环形的工作气隙，永磁体在工作气隙下产生极化磁场，励磁线圈则在其所属定子相内产生控制磁场，励磁电流方向变化而引起控制磁场对永磁体极化磁场作差动叠加以产生电磁力矩。如果假设定转子铁芯磁阻为零，则永磁体在各段工作气隙下产生的极化磁场强度相同，此时磁路对称，在不考虑磁导的高次谐波的情况下，电机在不通电时不产生自定位力矩，通电时在不同方向励磁电流下获得的力矩-转角特性幅值也相等，矩角特性是对称的；然而实际情况是定转子铁芯都具有一定的磁阻，按照磁路理论，此时距离永磁体较远的工作气隙下的极化磁场强度较弱，而距离永磁体较近的工作气隙下的极化磁场较强，这就造成了电机磁路不对称，电机在不通电时产生一定的自定位力矩；通电时当励磁电流的磁场和永磁体的磁场差动叠加时，电机的矩角特性受到励磁电流方向的影响，即在不同方向的励磁电流下获得的矩角特性幅值不等，呈现出一种不对称的特征，当将其作为阀用电-机械转换器使用时，这种不对称的特性会影响到2D阀的定位精度，使其无法呈现出应有的高性能。

发明内容

为了克服现有的轴向分相式高速旋转电磁铁的动态响应较差、定位精度较低、成本较高的不足，本发明提供一种提高动态响应、定位精度较高、降低成本的磁路对称的轴向分相式高速旋转电磁铁。

为了解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种磁路对称的轴向分相式高速旋转电磁铁，包括壳体、定子部件、转子部件、前端盖，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，所述定子部件包括整体式定子保持架、第一定子插片、第二定子插片和永磁体，在整体式定子保持架上依次分布有三段沿圆周均匀分布的供定子插片插入的插槽，依次为第一插槽、第二插槽和第三插槽；第一定子插片插接在相邻的第一插槽和第二插槽内，所述第一插槽和第二插槽之间的整体式定子保持架上环绕励磁线圈，所述第一插槽和第二插槽之间错齿1/2的齿距角，第二插槽与第三插槽彼此错齿1/4的齿距角；永磁体放置于第二插槽和第三插槽之间，分别和第一定子插片以及第二定子插片相接触而构成极化磁场源，永磁体按照整个圆周四等分的方式划分成四个区域，每个区域均轴向充磁，且N极和S极两两相间；

所述转子部件还包括转子保持架和转子插片，所述转子保持架安装在转子轴上，转子保持架外圆周面上开有供转子插片插入的插槽，将整个转子保持架的圆周径向等分为a、b、c、d四个区域，每个区域均匀分布数目相等的插槽且要求各自两两错开半个齿距角，即当a和c两区域内的定子插槽和转子保持架上的插槽对齐时，b和d两区域内的定子插槽和转子保持架上的插槽错开半个齿距角。

进一步，所述整体式定子保持架和转子保持架上的插槽为矩形插槽。当然，也可以采用其他形式。

再进一步，所述后端盖与整体式定子保持架呈一体。

第一定子插片和第二定子插片均为冲压成型，其材料为高导磁率的金属软磁材料，转子插片为冲压成型，其材料为高导磁率的金属软磁材料。

本发明中的“齿距角”是指定转子相邻两齿(或槽)中心线的夹角，一个机械上的齿距角占360°的电角度；“矩角特性”是指在定子一相或两相通电方式下，一个齿距角的范围内电-机械转换器转子输出的电磁力矩曲线；“自定位力矩”是指在定子相不通电的情况下由于磁路不对称而引起的力矩。

本发明的有益效果主要表现在：1、通过改进的电磁设计，使得单定子的轴向分相式旋转电磁铁的磁路对称，在不考虑磁导的高次谐波的情况下，不通电时其定位力矩为零，从而大大提高了电磁铁的动态响应；2、通过改进的电磁设计，使得单定子的轴向分相式旋转电磁铁的矩角特性对称，即在不同方向的励磁电流下获得的矩角特性幅值相等，有利于提高2D数字阀的定位精度；3、采用整体式定子保持架结构，将原本需要分离设计的后端盖、定子线圈保持架和定子片插槽等零件做成一体，简化了结构，减少了零件数，降低了成本。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

图2为本发明的精密注塑成型的整体式定子保持架结构示意图。

图3为本发明的定子插片后的整体式定子保持架结构示意图。

图4为本发明的第一定子插片的结构示意图。

图5为本发明的第二定子插片的结构示意图。

图6为本发明的转子插片的结构示意图。

图7为本发明的永磁体充磁方式示意图。

图8为本发明的转子径向错齿的示意图。

图9为磁路不对称的单定子的轴向分相式旋转电磁铁工作原理示意图。

图10a和10b为本发明的工作原理示意图。

图11a，11b和11c为本发明的定转子插片插入插槽后，各段工作气隙下轴向和径向错齿的示意图。

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11c，一种磁路对称的轴向分相式高速旋转电磁铁，其由定子部件和转子部件构成，主要包括整体式定子保持架1、励磁线圈2、固定螺棒3、定位套筒4、永磁体5、前端盖6、轴承7、转子轴8、转子保持架9、转子插片10、第一定子插片11和第二定子插片12。其中整体式定子保持架1为高强度的增强尼龙材料经精密注塑成型(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，减轻整机重量，有利于提高整机的功率重量比；另外，整体式定子保持架1设计成整体式结构，将原本需要分离设计的后端盖、定子线圈保持架和定子片插槽做成一体，励磁线圈2环绕在整体式定子保持架1上形成环形线圈组成单个的电流励磁相，这样可以大大简化结构，减少零件数，降低成本。第一定子插片11和第二定子插片12均为冲压成型，其材料为高导磁率的金属软磁材料；在整体式定子保持架1上依次分布有三段沿圆周均匀分布的插槽供定子插片插入以构成产生电磁力矩所必需的定子凸齿结构，三段插槽依次为第一插槽、第二插槽和第三插槽；第一定子插片插接在相邻的第一插槽和第二插槽内，所述第一插槽和第二插槽之间的整体式定子保持架上环绕励磁线圈，所述第一插槽和第二插槽之间错齿1/2的齿距角，第二插槽与第三插槽彼此错齿1/4的齿距角；永磁体放置于第二插槽和第三插槽之间，分别和第一定子插片以及第二定子插片相接触而构成极化磁场源，为保证磁路对称，永磁体5必须按照整个圆周四等分的方式划分成四个区域，每个区域均轴向充磁，且N极和S极两两相间，如图7所示。

为实现转子的双向运动，电流励磁相两端的两段插槽各自需错齿1/2的齿距角(180°电角度)，而后电流励磁相两端的两段插槽再一起与永磁体另一端的一段插槽彼此错齿1/4的齿距角(90°电角度)。

和定子部件类似，转子部件也采用插片的方式构成，转子保持架9做成空心杯的结构以减小转动惯量并且也用高强度的增强尼龙材料经精密注塑成型(当然，也可以采用其他绝缘材料)；转子保持架外圆周面上开有一定深度的矩形插槽，为保证磁路对称，转子保持架9上的转子插片槽不能沿着圆周径向均匀分布，而必须作特殊的设计：如图8所示，将整个圆周径向等分为a、b、c、d四个区域，每个区域均匀分布若干个数目相等的插槽且要求各自两两错开半个齿距角(180°电角度)，即当a和c两区域内的定子插槽和转子保持架上的插槽对齐时，b和d两区域内的定子插槽和转子保持架上的插槽错开半个齿距角(180°电角度)；转子插片10为冲压成型，其材料为高导磁率的金属软磁材料，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9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9安装在转子轴8上，转子轴8的两端和轴承7配合，分别安装在整体式定子保持架1和前端盖6上。

本发明中的电磁铁，既可以当作开关电磁铁使用(此时在励磁线圈2中通入脉冲电流)，也可以作为转子角位移连续可控的电磁铁使用(此时在励磁线圈2中通入正弦波电流或者斜坡电流以调制永磁体磁场)。需要说明的是，本发明中的电磁铁由于其转子角位移最大工作行程限制为1/2个齿距角。而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，电磁铁的响应速度越高，输出力矩越大，动态性能越好，但是齿距角的值越小，转子角位移的最大行程也越小。因此，需要根据使用场合的具体要求合理选择插齿齿数，适当调整电磁铁本身的结构参数，例如动态响应要求不高但要求转动角度较大者，可减小插齿齿数，相应增加定转子插片厚度以增加工作行程，反之亦然。

下面以转子44齿，定子48齿的电磁铁结构为例，阐述本发明的工作原理：

首先有必要阐述磁路不对称的单定子的轴向分相式旋转电磁铁的工作原理，以期与本发明的内容作个比较，如图9所示，和本发明一样，磁路不对称的单定子的轴向分相式旋转电磁铁也是由定子和转子之间形成三段环形的工作气隙δ₁、δ₂和δ₃，对应δ₂和δ₃的定子插槽各自需错齿1/2的齿距角(180°电角度)，而后再一起和对应δ₁的定子插槽彼此错齿1/4的齿距角(90°电角度)，永磁体在三段工作气隙下产生极化磁场，励磁线圈则产生控制磁场，以励磁电流的方向变化而引起控制磁场对永磁体磁场作差动叠加以产生电磁力矩。但是和本发明不同的是，其转子上的齿槽是沿圆周均匀分布的，且永磁体是整体轴向充磁。可以看到，当励磁线圈不通电流的时候，各极下工作气隙内只有永磁体产生的极化磁场，由于整个永磁磁路并不对称，有一定的自定位力矩存在，电磁铁将会自动停留在磁路总磁导最大的位置，此时δ₁下的定子插齿和转子插齿重合，可称其为初始平衡位置。需要说明的是，由于永磁体一般被当作不导磁体，因此理论上来讲励磁电流的磁场无法穿越永磁体，而仅仅是在δ₂和δ₃下调制永磁体的极化磁场，这就意味着磁路不对称引起的自定位力矩即使在通电状态下也不受励磁电流磁场影响，且其是作为一种阻力的存在，通电状态下转子运动时首先要克服这部分自定位力矩，而这必然影响到电机的动态性能。另外，无论励磁电流方向怎么变化，工作气隙δ₂和δ₃下的磁场必然是以下两种情况之一：

I.δ₂下永磁体和励磁线圈的磁场相互增强，δ₃下永磁体和励磁线圈的磁场相互抵消；

II.δ₃下永磁体和励磁线圈的磁场相互增强，δ₂下永磁体和励磁线圈的磁场相互抵消；

如果假设定转子铁芯磁阻为零，则永磁体在工作气隙δ₂和δ₃下产生的极化磁场强度相同，此时磁路对称，电磁铁不通电时不产生自定位力矩，通电时矩角特性独立于励磁电流方向的变化，即电磁铁在不同方向的励磁电流下获得的矩角特性幅值相等，矩角特性是对称的；然而实际情况是定转子铁芯都具有一定的磁阻，按照磁路理论，此时距离永磁体较远的工作气隙δ₃下的极化磁场强度较弱，而距离永磁体较近的工作气隙δ₂下的极化磁场较强，从产生的电磁力矩幅值的角度看，第I种情况产生的力矩幅值较大；第II种情况产生的力矩幅值较小。可以看到，由于电磁铁磁路不对称，其在不同方向的励磁电流下获得的矩角特性幅值不等，呈现出一种不对称的特征。

由此本发明提出了所谓磁路对称的轴向分相式高速旋转电磁铁，通过改变永磁体的充磁方式和转子插槽的径向分布方式，来实现磁路对称。

参照图8、图10a～10b和图11a～11c，可以看到转子保持架9整个圆周等分成a、b、c、d四个区域，而定子和转子之间形成三段环形的工作气隙，按照之前约定的标记方式，似乎需要从δ₁标记到δ₁₂，但是从图8可以看到，由于a、b、c、d四个区域各自错开半个齿距角(180°电角度)，从力矩的角度看，a区域和c区域产生力矩的效果相同，b区域和d区域产生力矩的效果相同，所以为清晰起见，在图10a～10b中将定转子各段下的a和c区域、b和d区域各自合并标记，例如在图10a中将右边第一段定转子之间的气隙标记为δ₁和δ₄，两者之间有半个齿距角(180°电角度)的错齿，当δ₁下齿对齿时，δ₄下是齿对槽；依次类推，从右往左第二段和第三段定转子之间的气隙各自标记为δ₂和δ₅以及δ₃和δ₆。同样的，虽然将永磁体沿圆周等分为四个区域，每个区域均轴向充磁，且N极和S极要求两两相间，但是从励磁的角度看，可以将其合并为一个N极和一个S极处理(各占圆周的一半)，如图10a～10b所示。

从上面的讨论也可以看出，之所以将转子插槽的分布和永磁体的充磁区域划分为四等分而不是二等分，完全是出于平衡径向力的需要，从而延长轴承的使用寿命。

从图10a～10b和图11a～11c也可以看到，当励磁线圈2不通电流的时候，各极下工作气隙内只有永磁体产生的极化磁场，由于整个永磁磁路对称，在不考虑磁导的高次谐波的情况下，电机没有作为阻力的自定位力矩存在，转子可随意转动而不会停留在某一特定的位置，这就相当程度地提升了电磁铁的动态性能。为描述方便，以δ₁下的定子插齿和转子插齿重合的位置为初始平衡位置，当励磁线圈2通入如图10a所示的电流时(⊙方向表示沿纸面向外，方向表示沿纸面向里)，由于永磁体一般被当作不导磁体，电流控制磁场与永磁极化磁场只在工作气隙δ₂、δ₃、δ₅和δ₆中相互叠加，其中工作气隙δ₃和δ₅下控制磁场与永磁极化磁场方向相同，磁场增强；工作气隙δ₂和δ₆下电流磁场与永磁极化磁场方向相反，磁场相互抵消，此时整个转子受到力矩转过1/4转子齿距角，可以看到，此时产生电磁力矩的δ₃位于远离永磁体的一端，δ₅则靠近永磁体；不产生电磁力矩的δ₆也位于远离永磁体的一端，δ₂则靠近永磁体；当控制线圈2通入如图10b所示的电流时，工作气隙δ₂和δ₆下磁场增强，工作气隙δ₃和δ₅下磁场相互抵消，转子受到力矩反方向转过1/2转子齿距角，此时产生电磁力矩的δ₆位于远离永磁体的一端，δ₂则靠近永磁体；不产生电磁力矩的δ₃也位于远离永磁体的一端，δ₅则靠近永磁体。可以看到，无论电流方向如何变化，总是可以实现两段工作气隙中有靠近永磁体的半段气隙和远离永磁体的半段气隙下各自的磁场相互增强，而剩余靠近永磁体的半段气隙和远离永磁体的半段气隙下各自的磁场相互抵消，即磁路是对称的，从而保证了电磁铁不通电时不产生自定位力矩，其矩角特性对称，不同方向的励磁电流产生的力矩幅值相等。

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 (4)

1.一种磁路对称的轴向分相式高速旋转电磁铁，包括壳体、定子部件、转子部件、前端盖，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整体式定子保持架的轴承孔内，其特征在于：所述定子部件包括整体式定子保持架、第一定子插片、第二定子插片和永磁体，在整体式定子保持架上依次分布有三段沿圆周均匀分布的供定子插片插入的定子插槽，依次为第一插槽、第二插槽和第三插槽；第一定子插片插接在相邻的第一插槽和第二插槽内，所述第一插槽和第二插槽之间的整体式定子保持架上环绕励磁线圈，所述第一插槽和第二插槽之间错齿1/2的齿距角，第二插槽与第三插槽彼此错齿1/4的齿距角；永磁体放置于第二插槽和第三插槽之间,分别和第一定子插片以及第二定子插片相接触而构成极化磁场源，永磁体按照整个圆周四等分的方式划分成四个区域，每个区域均轴向充磁，且N极和S极两两相间；

所述转子部件还包括转子保持架和转子插片，所述转子保持架安装在转子轴上，转子保持架外圆周面上开有供转子插片插入的转子插槽，将整个转子保持架的圆周径向等分为a、b、c、d四个区域，每个区域均匀分布数目相等的转子插槽且要求各自两两错开半个齿距角，即当a和c两区域内的定子插槽和转子保持架上的转子插槽对齐时，b和d两区域内的定子插槽和转子保持架上的转子插槽错开半个齿距角。

2.如权利要求1所述的磁路对称的轴向分相式高速旋转电磁铁，其特征在于：所述转子插槽为矩形插槽。

3.如权利要求1或2所述的磁路对称的轴向分相式高速旋转电磁铁，其特征在于：整体式定子保持架将后端盖、定子线圈保持架和定子插槽做成一体。

4.如权利要求1或2所述的磁路对称的轴向分相式高速旋转电磁铁，其特征在于：第一定子插片和第二定子插片均为冲压成型，其材料为高导磁率的金属软磁材料，转子插片为冲压成型，其材料为高导磁率的金属软磁材料。

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