CN103187810B - 直动双向插片式电磁铁 - Google Patents

Abstract

直动双向插片式电磁铁，包括定子部件、衔铁部件、壳体以及前后端盖，定子部件位于衔铁部件的外侧，包括第一定子保持架、第二定子保持架、第三定子保持架、第四定子保持架、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、永磁体和壳体；所述四个定子保持架形状相同，均为中空的半圆柱体，杯体外圆周面开有径向均匀分布的插槽；所述衔铁部件包括衔铁保持架、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，其外圆周面上开有一定深度且均匀分布的矩形插槽。

Description

直动双向插片式电磁铁

技术领域

本发明属于流体传动及控制领域中电液控制元件用的电-机械转换器，尤其涉及一种直动双向插片式电磁铁。

背景技术

在电液比例/伺服控制系统中，作为电液比例/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。

与传统的电-机械转换器如力矩马达、线性力马达以及比例电磁铁相比，双凸齿式阀用电-机械转换器的最大特征是定子和转子(衔铁)上开有若干小齿，因而具有输出力(力矩)和控制精度与转子(衔铁)的齿数成正比的特点，近年来在基于液压伺服螺旋机构的2D阀等领域里得到了应用。双凸齿式阀用电-机械转换器按照定子分相方式的不同可以分为径向分相式和轴向分相式两种，后者与前者相比，通过将定子励磁相改置于永磁体的一侧或两侧，从而可以构成多种旋转式、直动式、单相以及双相等新型的阀用电-机械转换器，而且很容易设计成湿式耐高压结构。

在交流控制方式下工作的电磁元件都存在涡流的问题，一般都是通过将定转子铁芯叠片的方式来降低涡流损耗。轴向分相式的双凸齿式阀用电-机械转换器由于不能像径向分相结构那样沿轴向叠片，所以只能采用整体式结构。但该结构在交流方式控制下涡流效应严重，使得电-机械转换器的无用功损耗增高，线圈发热严重，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-机械转换器的动态性能。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

本发明要克服原有的直动式双凸齿电磁铁由于其整体式金属材料定转子结构带来的涡流大、损耗和发热严重、功率重量比低的问题，提供一种直动双向插片式电磁铁，将其作为2D阀用电-机械转换器，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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种直动双向插片式电磁铁，包括定子部件、衔铁部件、壳体以及前后端盖。所述定子部件位于衔铁部件的外侧，所述定子部件包括第一定子保持架、第二定子保持架、第三定子保持架、第四定子保持架、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、永磁体和壳体。所述壳体为定子部件的基体，用来支撑、容纳和定位其他定子零部件；所述第一定子保持架、第二定子保持架、第三定子保持架、第四定子保持架为高强度的增强尼龙材料注塑成型；所述第一定子保持架、第二定子保持架、第三定子保持架、第四定子保持架均布置在衔铁外圈，第一定子保持架和第二定子保持架形状相同，两者相互扣合构成定子左保持架并通过壳体压紧，第一线圈保持架位于定子左保持架的空腔内，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；第三定子保持架和第四定子保持架形状相同，两者相互扣合构成定子右保持架并通过壳体压紧，所述第二线圈保持架位于所述定子右保持架的空腔内，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；所述永磁体为圆环形状，其轴向尺寸要求保持为定子以及衔铁硅钢片齿距的（K-1/2）倍，K为任意正整数，永磁体位于所述定子左保持架和定子右保持架之间且被轴向磁化成N极和S极。

所述四个定子保持架形状相同，均为中空的半圆柱体，杯体外圆周面开有径向均匀分布的插槽，其形状尺寸要求和定子硅钢片相同；定子硅钢片为冷冲压成型的扁平匚形状，其两个末端上分别开有轴向均匀分布且数目相等的小齿，小齿的齿宽和槽宽相等；定子硅钢片两条内边的距离要求保持为齿距的整数倍；定子硅钢片以稍微过盈的配合插入四个定子保持架上的插槽以构成产生电磁力所必需的定子凸齿结构。

所述衔铁部件包括衔铁保持架、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，其外圆周面上开有一定深度且均匀分布的矩形插槽，其形状尺寸要求和衔铁硅钢片相同；衔铁保持架安装在推杆之上，可与阀芯联动的推杆通过直线轴承支撑在前端盖及后端盖中，衔铁硅钢片为冷冲压成型的扁平长条形状，且轴向均匀分布有多个小齿，其齿宽和槽宽相等；衔铁硅钢片以稍微过盈的配合插入衔铁保持架上的插槽以构成产生电磁力所必需的衔铁凸齿结构；衔铁保持架安装在推杆上，所述推杆的两端分别安装在前端盖和后端盖上。

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示意图；

图2为本发明的定子硅钢片结构示意图；

图3为本发明的第三定子保持架结构示意图，第一定子保持架、第二定子保持架和第四定子保持架与其完全相同；

图4为本发明中插上定子硅钢片后的定子左保持架示意图，定子右保持架与其完全相同；

图5为本发明的衔铁硅钢片的结构示意图；

图6为本发明的衔铁保持架的结构示意图；

图7为本发明的结构尺寸示意图；

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。

如图1和图7所示，本发明包括定子部件、衔铁部件、壳体以及前后端盖。所述定子部件位于衔铁部件的外侧，所述定子部件包括第一定子保持架12、第二定子保持架13、第三定子保持架8、第四定子保持架16、定子硅钢片5、第一线圈保持架9、第二线圈保持架6、第一控制线圈10、第二控制线圈7、永磁体15和壳体14。所述壳体14为定子部件的基体，用来支撑和容纳其他定子零部件；所述第一定子保持架12、第二定子保持架13、第三定子保持架8、第四定子保持架16为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；所述第一定子保持架12、第二定子保持架13、第三定子保持架8、第四定子保持架16均布置在衔铁外圈，第一定子保持架12和第二定子保持架13形状相同，两者相互扣合构成定子左保持架并通过壳体14压紧，第一线圈保持架9位于定子左保持架的空腔内，所述第一控制线圈10环绕在第一线圈保持架9上组成电流励磁的一相；第三定子保持架8和第四定子保持架16形状相同，两者相互扣合构成定子右保持架并通过壳体14压紧，所述第二线圈保持架位于所述定子右保持架的空腔内，所述第二控制线圈7环绕在第二线圈保持架6上组成电流励磁的另一相；所述永磁体15为圆环形状，其轴向尺寸S₂要求保持为定子以及衔铁硅钢片齿距P_t的（K-1/2）倍，K为任意正整数，永磁体15位于所述定子左保持架和定子右保持架之间且被轴向磁化成N极和S极。

如图2、图3、图4和图7所示，所述四个定子保持架形状相同，均为中空的半圆柱体，杯体外圆周面开有径向均匀分布的插槽，其形状尺寸要求和定子硅钢片5相同；定子硅钢片5为冷冲压成型的扁平匚形状，其两个末端上分别开有轴向均匀分布且数目相等的小齿，小齿的齿宽和槽宽相等；定子硅钢片5两条内边的距离S₁要求保持为齿距P_t的整数倍；定子硅钢片5以稍微过盈的配合插入四个定子保持架上的插槽以构成产生电磁力所必需的定子凸齿结构。

如图5、图6和图7所示，所述衔铁部件包括衔铁保持架2、衔铁硅钢片1与推杆3三部分，衔铁保持架2为高强度的增强尼龙材料注塑成型，其外圆周面上开有一定深度且均匀分布的矩形插槽，其形状尺寸要求和衔铁硅钢片1相同；衔铁保持架2安装在推杆3之上，可与阀芯联动的推杆3通过直线轴承4支撑在前端盖17及后端盖11中，衔铁硅钢片1为冷冲压成型的扁平长条形状，且轴向均匀分布有多个小齿，其齿宽和槽宽相等；衔铁硅钢片1以稍微过盈的配合插入衔铁保持架2上的插槽以构成产生电磁力所必需的衔铁凸齿结构。

为进一步减轻整机重量，壳体14和前后端盖17和11也可以采用高强度的增强尼龙材料注塑成型。

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衔铁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8a所示，定子左保持架和定子右保持架中的定子硅钢片分别和衔铁硅钢片自左向右形成四段有效工作气隙；各极下所受磁力的大小可以用磁力线分布的疏密程度来表示。当第一控制线圈10、第二控制线圈7不通电流的时候，各极下工作气隙内只有永磁体15产生的极化磁场，此时整个永磁磁路的总磁导与衔铁的位置无关，电磁铁不产生推力。令图8a所示的衔铁位置为初始位置，当第一控制线圈10、第二控制线圈7通入如图8b所示的沿纸面向内的电流时，电流产生的控制磁场与永磁极化磁场在各极下的工作气隙中相互叠加，其中第二工作气隙与第三工作气隙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；第一工作气隙与第四工作气隙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，衔铁受到向右的推力移动1/4个齿距而处于图8b所示的位置，此时整个磁路磁导达到最大，衔铁处于稳定平衡位置；当第一控制线圈10通入方向沿纸面向外的电流而第二控制线圈7的电流方向不发生改变时，第一工作气隙与第三工作气隙下磁场强度相互叠加而增强；第二工作气隙与第四工作气隙下磁场强度相互抵消而减弱，衔铁继续受到向右的推力移动1/4个齿距而处于图8c所示的位置，此时整个磁路磁导达到最大，衔铁处于新的平衡位置；同理当第一控制线圈10和第二控制线圈7都通入方向沿纸面向外的电流时，第一工作气隙与第四工作气隙下磁场强度相互叠加而增强，第二工作气隙与第三工作气隙下磁场强度相互抵消而减弱，衔铁受到向右的推力再移动1/4个齿距而处于图8d所示的位置；当第一控制线圈10通入方向沿纸面向内的电流而第二控制线圈7通入方向沿纸面向外的电流时，第二工作气隙与第四工作气隙下磁场强度相互叠加而增强，第一工作气隙与第三工作气隙下磁场强度相互抵消而减弱，衔铁受到向右的推力移动1/4个齿距而处于图8e所示的位置。由上述可知，每经过四种不同的通电方式，衔铁都会移过一个完整的齿距角。重复上述通电次序，衔铁就会以1/4齿距的步距向右连续步进运动下去。改变上述通电次序，可以实现衔铁的反方向运动；倘若两个控制线圈同时通入相位差为π/2的正弦波控制电流，还能够实现衔铁的平滑均匀的连续运动。

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 (2)

1.直动双向插片式电磁铁，包括定子部件、衔铁部件、壳体以及前后端盖，其特征在于：所述定子部件位于衔铁部件的外侧，所述定子部件包括第一定子保持架、第二定子保持架、第三定子保持架、第四定子保持架、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、永磁体和壳体；所述壳体为定子部件的基体，用来支撑、容纳和定位其他定子零部件；所述第一定子保持架、第二定子保持架、第三定子保持架、第四定子保持架为高强度的增强尼龙材料注塑成型；所述第一定子保持架、第二定子保持架、第三定子保持架、第四定子保持架均布置在衔铁外圈，第一定子保持架和第二定子保持架形状相同，两者相互扣合构成定子左保持架并通过壳体压紧，第一线圈保持架位于定子左保持架的空腔内，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；第三定子保持架和第四定子保持架形状相同，两者相互扣合构成定子右保持架并通过壳体压紧，所述第二线圈保持架位于所述定子右保持架的空腔内，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；所述永磁体为圆环形状，其轴向尺寸要求保持为定子以及衔铁硅钢片齿距的(K-1/2)倍，K为任意正整数，永磁体位于所述定子左保持架和定子右保持架之间且被轴向磁化成N极和S极；

所述四个定子保持架形状相同，均为中空的半圆柱体，杯体外圆周面开有径向均匀分布的插槽，其形状尺寸要求和定子硅钢片相同；定子硅钢片为冷冲压成型的扁平匚形状，其两个末端上分别开有轴向均匀分布且数目相等的小齿，小齿的齿宽和槽宽相等；定子硅钢片两条内边的距离要求保持为齿距的整数倍；定子硅钢片以过盈配合插入四个定子保持架上的插槽以构成产生电磁力所必需的定子凸齿结构；

所述衔铁部件包括衔铁保持架、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，其外圆周面上开有一定深度且均匀分布的矩形插槽，其形状尺寸要求和衔铁硅钢片相同；衔铁保持架安装在推杆之上，可与阀芯联动的推杆通过直线轴承支撑在前端盖及后端盖中，衔铁硅钢片为冷冲压成型的扁平长条形状，且轴向均匀分布有多个小齿，其齿宽和槽宽相等；衔铁硅钢片以过盈配合插入衔铁保持架上的插槽以构成产生电磁力所必需的衔铁凸齿结构；衔铁保持架安装在推杆上，所述推杆的两端分别安装在前端盖和后端盖上。

2.如权利要求1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。