CN103107608B - 单相直动插片式电磁铁 - Google Patents

Abstract

一种单相直动插片式电磁铁，包括衔铁部件、定子部件、壳体、前端盖和后端盖，所述定子部分包括定子左保持架、定子左插片、定子右保持架、定子右插片、线圈保持架、控制线圈和圆环状永磁体；所述衔铁部件包括空心杯式衔铁保持架、衔铁插片与推杆三部分；在空心杯衔铁保持架的径向外圆柱面上开有若干均匀分布的插槽用于插入衔铁插片，衔铁插片为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平条状，其上开有呈非等间隔分布且齿宽相等的三个矩形齿；壳体、前端盖和后端盖将定子部件沿轴向约束固定，壳体通过螺栓与前端盖、后端盖相连接。

Description

单相直动插片式电磁铁

技术领域

本发明属于流体传动及控制领域中电液高速开关阀用的电-机械转换器，尤其涉及一种单相直动插片式电磁铁。

背景技术

在电液比例/伺服控制系统中，作为电液控制元件关键部件的电-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。

电液高速开关阀的控制信号一般为一系列幅值相等、每一周期占空比不同的脉冲信号，其电-机械转换器主要是高速开关电磁铁，脉冲高电平时电磁铁的衔铁在极限位置吸合，低电平时在机械弹簧力的作用下复位，以此对应高速开关阀的全开和全闭两种工作状态。

对于要求快速性的高速开关电磁铁而言，复位弹簧是关键部件之一，其刚度直接决定了衔铁的返回时间和电磁铁的固有频率；然而弹簧作为机械零件，在使用过程中不可避免的会出现疲劳、断裂以及腐蚀等，从而引起电磁铁的可靠性问题，影响电磁铁的使用寿命，严重时甚至导致电磁铁失效；另外，在电磁铁设计时还需要考虑弹簧的安装方法和位置，从而使得其内部结构复杂，加工成本高。

为了克服已有的直动式高速开关电磁铁的结构复杂、加工成本高、可靠性差、使用寿命短的不足，相关技术人员提出了一种无弹簧直动式高速开关电磁铁的结构方案并获得了发明专利授权，但由于该电磁铁为整体式结构，当工作在电流瞬态变化的环境中时，不可避免的存在着电涡流的问题。电涡流使得电磁铁的无用损耗及温升增高；电涡流还对控制绕组内电流的变化起到一定的阻碍作用，影响了电磁铁的动态性能；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

本发明要克服已有的无弹簧直动式高速开关电磁铁的整体式结构带来电涡流大、损耗和发热严重、功率重量比低的缺点，提供一种直动单相插片式电磁铁，可大大降低涡流，从而获得较低的温升、优良的动态特性以及高功率重量比，非常适合作为车载或者航空航天等应用场合电液高速开关阀的电-机械转换元件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种单相直动插片式电磁铁，其主要结构包括衔铁部件、定子部件、壳体、前端盖和后端盖。所述定子部分包括定子左保持架、定子左插片、定子右保持架、定子右插片、线圈保持架、控制线圈和圆环状永磁体；定子左保持架与定子右保持架均通过高强度的增强尼龙材料注塑成型，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；定子左保持架上径向分布有等间距的插槽用于插入定子左插片，定子左插片为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平匚形状；定子右保持架上同样沿径向分布有等间距的插槽用于插入定子右插片，定子右插片则为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平条状；定子左插片和定子右插片均以稍微过盈的配合插入定子左保持架和定子右保持架的插槽以构成产生电磁力所必需的定子凸齿结构；定子左保持架呈中空的半圆柱形状，其内侧柱面掏空，形成半环状空腔，所述线圈保持架位于两个相同形状的定子左保持架相互扣合所形成的空腔内，控制线圈环绕其上形成电流励磁相；所述环状永磁体位于定子左保持架与定子右保持架之间且被轴向磁化成N极和S级。

所述衔铁部件包括空心杯式衔铁保持架、衔铁插片与推杆三部分。衔铁保持架为高强度的增强尼龙材料注塑成型，通过将衔铁保持架设计成空心杯状，能够有效减少衔铁的运动惯量，提高其动态响应。空心杯衔铁保持架靠近后端盖一侧设有轴孔，推杆一端与空心杯衔铁保持架的轴孔呈过盈连接，其另一端通过直线轴承支撑在前端盖上。推杆用于与阀芯联动，它可滑动安装在前端盖上。

在空心杯衔铁保持架的径向外圆柱面上开有若干均匀分布的插槽用于插入衔铁插片，衔铁插片为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平条状，其上开有呈非等间隔分布且齿宽相等的三个矩形齿；为实现电磁铁的正常工作，衔铁插片上三个矩形齿的齿宽需要和定子左插片下的两个极身宽度（齿宽）及定子右插片的极身宽度（齿宽）相等，统一记为P₁；定子左插片靠近永磁体一极的极身宽度与定子右插片的极身宽度，以及环状永磁体的轴向尺寸三者之和S₁和衔铁插片上靠近后端盖的两个矩形齿之间的距离S₂需要满足关系式S₁=S₂+P₁/2；整个定子部分的有效部分长度L₁与衔铁插片的长度L₂之间需要满足关系式L₂=L₁+P₁/2。

需要说明的是，定子左插片及定子右插片上的极身宽度可以与衔铁插片上大齿的齿宽不相等，相互的位置关系也未必需要如前述所述，然而采用前述的位置关系可以较好的满足电流控制磁场和永磁极化磁场差动叠加的要求，使得电磁铁获得较大的推力和较高的动态响应，因而应当作为优选的方案。

壳体、前端盖和后端盖将定子部件沿轴向约束固定。壳体通过螺栓与前端盖、后端盖相连接。

为进一步减轻整机重量，壳体和前后端盖也可以采用高强度的增强尼龙材料注塑成型。

本发明的有益效果主要表现在：1、占整机绝大部分体积的定子和衔铁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；2、定子和衔铁采用插片式结构，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，同时也使得前述尼龙材料定子及衔铁保持架的应用成为可能；3、定子和衔铁的插片式结构，在降低电磁铁涡流的同时提升了其动态性能。

附图说明

图1为本发明的结构原理剖视图；

图2为本发明的结构尺寸示意图；

图3为本发明的定子右保持架结构示意图；

图4为本发明的定子右插片结构示意图；

图5为本发明的衔铁保持架结构示意图；

图6为本发明的衔铁插片结构示意图；

图7为本发明的定子左保持架结构示意图；

图8为本发明的定子左插片结构示意图；

图9-a为本发明的衔铁处于不通电流状态的工作原理示意图。

图9-b为本发明的衔铁处于一个通电平衡状态（控制线圈通正向电流）的工作原理示意图。

图9-c为本发明的衔铁处于另一个通电平衡状态（控制线圈通负向电流）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9-c，一种单相直动插片式电磁铁，其主要结构包括衔铁部件、定子部件、壳体、前端盖和后端盖。所述定子部分包括定子左保持架12、定子左插片11、定子右保持架4、定子右插片14、线圈保持架13、控制线圈7和圆环状永磁体5；定子左保持架12与定子右保持架4均通过高强度的增强尼龙材料注塑成型，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；定子左保持架12上径向分布有等间距的插槽用于插入定子左插片11，定子左插片11为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平匚形状；定子右保持架4上同样沿径向分布有等间距的插槽用于插入定子右插片14，定子右插片14则为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平条状；定子左插片11和定子右插片14均以稍微过盈的配合插入定子左保持架12和定子右保持架4的插槽以构成产生电磁力所必需的定子凸齿结构；定子左保持架12呈中空的半圆柱形状，其内侧柱面掏空，形成半环状空腔，所述线圈保持架13位于两个相同形状的定子左保持架12相互扣合所形成的空腔内，控制线圈7环绕其上形成电流励磁相；所述环状永磁体5位于定子左保持架12与定子右保持架4之间且被轴向磁化成N极和S级。

所述衔铁部件包括空心杯式衔铁保持架3、衔铁插片2与推杆10三部分。衔铁保持架3为高强度的增强尼龙材料注塑成型，通过将衔铁保持架3设计成空心杯状，能够有效减少衔铁的运动惯量，提高其动态响应。空心杯衔铁保持架3靠近后端盖1一侧设有轴孔，推杆10一端与空心杯衔铁保持架3的轴孔呈过盈连接，其另一端通过直线轴承9支撑在前端盖8上。推杆10用于与阀芯联动，它可滑动安装在前端盖上。

在空心杯衔铁保持架3的径向外圆柱面上开有若干均匀分布的插槽用于插入衔铁插片2，衔铁插片2为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平条状，其上开有呈非等间隔分布且齿宽相等的三个矩形齿；为实现电磁铁的正常工作，衔铁插片2上三个矩形齿的齿宽需要和定子左插片11下的两个极身宽度（齿宽）及定子右插片14的极身宽度（齿宽）相等，统一记为P₁；定子左插片11靠近永磁体5一极的极身宽度与定子右插片14的极身宽度，以及环状永磁体5的轴向尺寸三者之和S₁和衔铁插片2上靠近后端盖1的两个矩形齿之间的距离S₂需要满足关系式S₁=S₂+P₁/2；整个定子部分的有效部分长度L₁与衔铁插片2的长度L₂之间需要满足关系式L₂=L₁+P₁/2。

需要说明的是，定子左插片11及定子右插片14上的极身宽度可以与衔铁插片2上大齿的齿宽不相等，相互的位置关系也未必需要如前述所述，然而采用前述的位置关系可以较好的满足电流控制磁场和永磁极化磁场差动叠加的要求，使得电磁铁获得较大的推力和较高的动态响应，因而应当作为优选的方案。

壳体6、前端盖8和后端盖1将定子部件沿轴向约束固定。壳体6通过螺栓与前端盖8、后端盖1相连接。

为进一步减轻整机重量，壳体和前后端盖也可以采用高强度的增强尼龙材料注塑成型。

本发明实施方案以电磁铁衔铁插片上不均匀分布三个齿宽相同的矩形齿结构为例，结合附图对本发明作进一步说明。

工作原理：如图9-a所示，定子左插片11、定子右插片14和衔铁插片2从左到右形成三段有效工作气隙；当控制线圈7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，其总磁导与衔铁位置有关，电磁铁将会自动停留在磁路总磁导最大的位置，即初始平衡位置，此时定子右插片14的极身位置与衔铁插片2最右边的矩形齿重合，即在工作气隙ξ₃处定子的矩形齿与衔铁的矩形齿对齐；而定子左插片11两个极的极身位置分别与衔铁插片2另外两个矩形齿错开半个齿宽（P₁/2）的距离，电磁铁停留于初始平衡位置；当控制线圈7通入如图9-b沿纸面向里的电流时，由于永磁体磁阻较大，则电流控制磁场与永磁极化磁场只是在定子左插片11与衔铁插片2形成的工作气隙ξ₁和ξ₂中相互叠加，其中在工作气隙ξ₂下控制磁场与永磁极化磁场方向相同，磁场强度相互叠加而增强；在工作气隙ξ₁下控制磁场与永磁极化磁场方向相反，磁场强度相互抵消而减弱，适当控制控制线圈7的电流强度，可以使得工作气隙ξ₁磁场接近于零，则此时衔铁受到电磁推力而向左移动直至其本身所受合力为零，此时衔铁处于通电平衡位置；同样地，当控制线圈7通入如图9-c所示沿纸面向外的电流时，工作气隙ξ₁下控制磁场与永磁极化磁场方向相同，磁场强度相互叠加而增强；在工作气隙ξ₂下电流磁场与永磁极化磁场方向相反，磁场强度相互抵消而减弱，适当控制控制线圈7的电流强度，可以使得工作气隙ξ₂磁场接近于零。此时衔铁受到电磁推力由初始平衡位置向右移动直至其本身所受合力为零，衔铁处于另一个通电平衡位置；当控制线圈7断电，电磁铁在永磁体极化磁场的作用下回到如图9-a所示的初始平衡位置。可以看到，只要控制线圈7的电流通断，就可以控制电磁铁的快速动作，而适当调整电磁铁本身的结构参数，可以控制衔铁移动距离的长短，从而实现数字开关阀的开和闭两种工作状态。

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 (3)

1.一种单相直动插片式电磁铁，包括衔铁部件、定子部件、壳体、前端盖和后端盖，其特征在于：定子部分包括定子左保持架、定子左插片、定子右保持架、定子右插片、线圈保持架、控制线圈和圆环状永磁体；定子左保持架与定子右保持架均通过高强度的增强尼龙材料注塑成型；定子左保持架上径向分布有等间距的插槽用于插入定子左插片，定子左插片为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平匚形状；定子右保持架上同样沿径向分布有等间距的插槽用于插入定子右插片，定子右插片则为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平条状；定子左插片和定子右插片均以稍微过盈的配合插入定子左保持架和定子右保持架的插槽以构成产生电磁力所必需的定子凸齿结构；定子左保持架呈中空的半圆柱形状，其内侧柱面掏空，形成半环状空腔，所述线圈保持架位于两个相同形状的定子左保持架相互扣合所形成的空腔内，控制线圈环绕其上形成电流励磁相；环状永磁体位于定子左保持架与定子右保持架之间且被轴向磁化成N极和S级；

所述衔铁部件包括空心杯式衔铁保持架、衔铁插片与推杆三部分,衔铁保持架为高强度的增强尼龙材料注塑成型，通过将衔铁保持架设计成空心杯状；空心杯衔铁保持架靠近后端盖一侧设有轴孔，推杆一端与空心杯衔铁保持架的轴孔呈过盈连接，所述的推杆另一端通过直线轴承支撑在前端盖上；所述的推杆与阀芯联动，所述的推杆可滑动安装在前端盖上；

在空心杯衔铁保持架的径向外圆柱面上开有若干均匀分布的插槽用于插入衔铁插片，衔铁插片为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平条状，其上开有呈非等间隔分布且齿宽相等的三个矩形齿；

壳体、前端盖和后端盖将定子部件沿轴向约束固定，壳体通过螺栓与前端盖、后端盖相连接。

2.如权利要求1所述的电磁铁，其特征在于：衔铁插片上三个矩形齿的齿宽需要和定子左插片下的两个极身宽度及定子右插片的极身宽度相等，统一记为P₁；定子左插片靠近永磁体一极的极身宽度与定子右插片的极身宽度，以及环状永磁体的轴向尺寸三者之和S₁和衔铁插片上靠近后端盖的两个矩形齿之间的距离S₂需要满足关系式S₁＝S₂+P₁/2；整个定子部分的有效部分长度L₁与衔铁插片的长度L₂之间需要满足关系式L₂＝L₁+P₁/2。

3.如权利要求2所述的电磁铁，其特征在于：所述的壳体和前后端盖采用高强度的增强尼龙材料注塑成型。