CN103411014B - 力-位移特性对称的双相插片式直动电磁铁 - Google Patents

Abstract

力-位移特性对称的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；所述定子部件具有双相电流励磁结构；环状永磁体位于定子右保持架与定子左保持架之间,按照整个圆周均分的方式划分成偶数个区域，且N极区域和S极区域间隔排列；衔铁保持架的插槽数是能被4所整除的偶数，将衔铁保持架分成插槽数相等的四个区域，插入第一衔铁硅钢片7的区域与插入第二衔铁硅钢片8的区域间隔排列，第一衔铁硅钢片7与第二衔铁硅钢片8轴向错开半个齿距。

Description

力-位移特性对称的双相插片式直动电磁铁

技术领域

本发明涉及属于流体传动及控制领域中电液比例/伺服阀用的电-机械转换器，尤其涉及一种力-位移特性对称的双相插片式直动电磁铁。

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。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-机械转换器。

无论是整体式结构还是插片式结构的直动式轴向分相电-机械转换器，其基本工作原理都是将定子分为两相置于永磁体两边，定子依次和衔铁构成四段环形的工作气隙，永磁体在四段工作气隙下产生极化磁场，两个励磁线圈各自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。如果假设定子铁芯和衔铁的磁阻为零，则永磁体在四段工作气隙下产生的极化磁场强度相同，此时磁路对称，即电-机械转换器在不同方向励磁电流下获得的力-位移特性幅值相等，力-位移特性是对称的；然而实际情况是定子铁芯和衔铁都具有一定的磁阻，按照磁路理论，此时距离永磁体较远的两段工作气隙下的极化磁场强度较弱，而距离永磁体较近的两段工作气隙下的极化磁场较强，这就造成了电-机械转换器的磁路不对称，当励磁电流的磁场和永磁体的磁场差动叠加时，电-机械转换器的力-位移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力-位移特性幅值不等，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，这种不对称的力-位移特性会影响到阀的定位精度，使其无法呈现出比例/伺服阀应有的高性能。

发明内容

本发明要克服现有技术受定子铁芯和衔铁的磁阻效应影响，呈现出一种不对称的特征的缺陷，提供一种能够克服铁芯和衔铁的磁阻效应影响，不同方向励磁电流下获得的力-位移特性幅值相等，力-位移特性对称的电磁铁。

力-位移特性对称的双相插片式直动电磁铁，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，所述定子部件具有双相电流励磁结构；

所述永磁体11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Pt的（K-1/2）倍，K为任意正整数；永磁体11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；永磁体11必须按照整个圆周均分的方式划分成偶数个区域，每个区域均轴向充磁，且N极区域和S极区域间隔排列；

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4相同；定子硅钢片4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4两条内边的距离S1为齿距Pt的整数倍；定子硅钢片4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16、第一衔铁硅钢片7、第二衔铁硅钢片8与推杆17；第一衔铁硅钢片7和第二衔铁硅钢片8均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；两种衔铁硅钢片插入衔铁保持架16上的插槽以构成产生电磁力所必需的衔铁凸齿结构；

第一衔铁硅钢片7和第二衔铁硅钢片8轴向错开半个齿距，第一衔铁硅钢片7和第二衔铁硅钢片8其余的结构参数相同；衔铁保持架16外圆周面上开有均匀分布的插槽，插槽数是能被2所整除的偶数，将衔铁保持架16分成与永磁体10对应的区域，插入第一衔铁硅钢片7的区域和插入第二衔铁硅钢片8的区域间隔排列；

衔铁保持架16安装在推杆17之上，可与阀芯联动的推杆17通过直线轴承支撑在前端盖1及后端盖3中。

优选地，永磁体11必须按照整个圆周四均分的方式划分成4个区域，每个区域均轴向充磁，且N极区域和S极区域间隔排列。

优选地，如权利要求1所述的电磁体，其特征在于：所述定子部件的双相电流励磁结构包括：第一定子保持架12、第二定子保持架13、第三定子保持架5、第四定子保持架9、定子硅钢片4、第一线圈保持架15、第二线圈保持架6、第一控制线圈14、第二控制线圈10、永磁体11和壳体2；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5、第四定子保持架9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2压紧，第一线圈保持架15位于定子左保持架的空腔内，所述第一控制线圈14环绕在第一线圈保持架15上组成电流励磁的一相；第三定子保持架5和第四定子保持架9形状相同，两者相互扣合构成定子右保持架并通过壳体2压紧，所述第二线圈保持架6位于所述定子右保持架的空腔内，所述第二控制线圈10环绕在第二线圈保持架6上组成电流励磁的另一相。

优选地，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5、第四定子保持架9为高强度的增强尼龙材料注塑成型；衔铁保持架16为高强度的增强尼龙材料注塑成型;壳体2和前后端盖1和3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、通过改进的电磁设计，使得双相插片式直动电磁铁的力-位移特性对称，即在不同方向的励磁电流下获得的力-位移特性幅值相等，有利于提高阀的定位精度。

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的结构示意；

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为本发明的第一衔铁硅钢片的结构示意图；

图6为本发明的第二衔铁硅钢片的结构示意图；

图7为本发明的衔铁保持架的结构示意图；

图8为本发明中按两两间隔方式插入第一衔铁硅钢片和第二衔铁硅钢片后的衔铁组件整体示意图；

图9为本发明按两两间隔方式插入第一衔铁硅钢片和第二衔铁硅钢片后的衔铁组件端面示意图；

图10为本发明的永磁体充磁方式示意图；

图11为本发明的结构尺寸示意图；

图12为用来和本发明对比的传统双相插片式直动电磁铁的工作原理示意图；

图13a，13b，13c，13d和13e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。

本实施例中的“齿距”是指衔铁相邻两齿（或槽）中心线的距离；“力-位移特性”是指在定子两相通电方式下，一个齿距的范围内电磁铁输出的电磁力曲线。

如图1～图11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5、第四定子保持架9、定子硅钢片4、第一线圈保持架15、第二线圈保持架6、第一控制线圈14、第二控制线圈10、永磁体11和壳体2。所述壳体2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5、第四定子保持架9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5、第四定子保持架9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2压紧，第一线圈保持架15位于定子左保持架的空腔内，所述第一控制线圈14环绕在第一线圈保持架15上组成电流励磁的一相；第三定子保持架5和第四定子保持架9形状相同，两者相互扣合构成定子右保持架并通过壳体2压紧，所述第二线圈保持架6位于所述定子右保持架的空腔内，所述第二控制线圈10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11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Pt的（K-1/2）倍，K为任意正整数，如图11所示；永磁体11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。为保证电磁铁的力-位移特性对称，永磁体11必须按照将整个圆周以偶数等分的方式划分成若干个区域，每个区域均轴向充磁，且N极区域和S极区域间隔排列。从工艺角度而言，二等分充磁最为便捷，但电磁铁会有径向力不平衡的问题，从而影响到轴承的使用寿命；过多的等分对电磁铁性能的提升没有帮助，且充磁工艺上较为繁琐，因而综合而言，将永磁体四等分充磁实用性最好，如图10所示。

如图2、图3、图4和图11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4相同，用于插入定子硅钢片；定子硅钢片4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4两条内边的距离S1要求保持为齿距Pt的整数倍；定子硅钢片4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9所示，所述衔铁部件包括衔铁保持架16、第一衔铁硅钢片7、第二衔铁硅钢片8与推杆17三部分。第一衔铁硅钢片7和第二衔铁硅钢片8均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，均为齿距的1/2；两种衔铁硅钢片以稍微过盈的配合插入衔铁保持架16上的插槽以构成产生电磁力所必需的衔铁凸齿结构。为使得电磁铁的力-位移特性相等，达到在工作时，电磁铁工作气隙下有一半的区域定子硅钢片和衔铁硅钢片处于“齿对齿”的状态，而另外一半区域定子硅钢片和衔铁硅钢片则处于“齿对槽”的状态，第一衔铁硅钢片7和第二衔铁硅钢片8轴向必须错开半个齿距，即将第一衔铁硅钢片7和第二衔铁硅钢片8放在一起重合比较时，前者上的齿必须正对着后者上的槽，第一衔铁硅钢片7和第二衔铁硅钢片8其余的结构参数相同。衔铁保持架16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，用于插入第一衔铁硅钢片7和第二衔铁硅钢片8，插槽的槽宽、槽深等和上述衔铁硅钢片的宽度及高度相同，为了保证力-位移特性对称，插槽数必须是能被2所整除的偶数，以此可以将衔铁保持架16分成插槽数相等的若干偶数个区域，插入第一衔铁硅钢片7的区域和插入第二衔铁硅钢片8的区域间隔排列，注意衔铁保持架16的区域数需要和前述永磁体11的区域数对应，即两者的划分区域数目相等、各区域的弧度相同。衔铁保持架16安装在推杆17之上，可与阀芯联动的推杆17通过直线轴承支撑在前端盖1及后端盖3中。

为进一步减轻整机重量，壳体2和前后端盖1和3也可以采用高强度的增强尼龙材料注塑成型。

下面以永磁体四等分充磁、衔铁保持架径向均布24个插槽且划分为四个区域的双相插片式直动电磁铁为例，阐述本发明的工作原理：

首先有必要阐述传统的双相插片式直动电磁铁的工作原理，以期与本发明的内容作个比较，如图12所示，和本发明一样，传统的双相插片式直动电磁铁也是由定子和衔铁之间形成四段环形的工作气隙δ1、δ2、δ3和δ4，永磁体在四段工作气隙下产生极化磁场，两个励磁线圈各自在其所属定子相内产生控制磁场，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。但是和本发明不同的是，传统的双相插片式直动电磁铁的衔铁保持架上的衔铁硅钢片只有单独的一种，且永磁体是整体轴向充磁。可以看到，无论励磁电流方向怎么变化，四段工作气隙δ1、δ2、δ3和δ4下的磁场必然是以下四种情况之一：

I.δ1和δ4下永磁体和励磁线圈的磁场相互增强，δ2和δ3下永磁体和励磁线圈的磁场相互抵消；

II.δ2和δ3下永磁体和励磁线圈的磁场相互增强，δ1和δ4下永磁体和励磁线圈的磁场相互抵消；

III.δ1和δ3下永磁体和励磁线圈的磁场相互增强，δ2和δ4下永磁体和励磁线圈的磁场相互抵消；

IV.δ2和δ4下永磁体和励磁线圈的磁场相互增强，δ1和δ3下永磁体和励磁线圈的磁场相互抵消。

如果假设定子和衔铁的硅钢片磁阻为零，则永磁体在四段工作气隙下产生的极化磁场强度相同，此时磁路对称，力-位移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力-位移幅值相等，力-位移是对称的；然而实际情况是定子和衔铁的硅钢片都具有一定的磁阻，按照磁路理论，此时距离永磁体较远的两段工作气隙δ1和δ4下的极化磁场强度较弱，而距离永磁体较近的两段工作气隙δ2和δ3下的极化磁场较强，从产生的电磁力幅值的角度看，第I种情况产生的力幅值最小；第II种情况产生的力幅值最大；第III和第IV种情况产生的力幅值相同，其介于I和II之间。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力-位移特性幅值不等，呈现出一种不对称的特征。

从上述的第III和第IV种情况的讨论中可以得到启发，如果能做到无论励磁电流方向怎么变化，四段工作气隙下始终有靠近永磁体的一段气隙和远离永磁体的一段气隙下各自的磁场相互增强，而剩余的靠近永磁体的一段气隙和远离永磁体的一段气隙下各自的磁场相互抵消的话，磁路就可以对称，电磁铁的力-位移特性就可以对称，不同方向的励磁电流产生的力幅值就可以相等。

按照这个原则，本发明提出了所谓力-位移特性对称的双相插片式直动电磁铁，通过改变永磁体的充磁方式和轴向错齿的两种衔铁硅钢片，来实现电磁铁的力-位移特性对称。

参照图13a～13e，令图13a所示的转子位置为初始位置，当第二控制线圈10、第一控制线圈14不通电流的时候，工作气隙δ1、δ2、δ3、δ4、δ5、δ6、δ7和δ8内只有永磁体产生的极化磁场；当第二控制线圈10、第一控制线圈14通入如图13b所示的电流时（⊙方向表示沿纸面向外，⊕方向表示沿纸面向里），电流控制磁场与永磁极化磁场在工作气隙δ1、δ2、δ3、δ4、δ5、δ6、δ7和δ8中相互叠加，其中工作气隙δ2、δ3、δ5和δ8下控制磁场与永磁极化磁场方向相同，磁场增强；工作气隙δ1、δ4、δ6和δ7下电流磁场与永磁极化磁场方向相反，磁场相互抵消，此时整个衔铁受到电磁力移动1/4个齿距，可以看到，此时产生电磁力的δ5和δ8位于远离永磁体的两端，δ2和δ3则靠近永磁体；不产生电磁力的δ1和δ4也位于远离永磁体的两端，δ6和δ7则靠近永磁体；当第二控制线圈10、第一控制线圈14通入如图13c所示的电流时，工作气隙δ1、δ3、δ6和δ8下磁场增强，工作气隙δ2、δ4、δ5和δ7下磁场相互抵消，整个衔铁受到电磁力移动1/4个齿距，此时产生电磁力的δ1和δ8位于远离永磁体的两端，δ3和δ6则靠近永磁体；不产生电磁力的δ4和δ5也位于远离永磁体的两端，δ2和δ7则靠近永磁体；同理当第二控制线圈10、第一控制线圈14通入如图13d所示的电流时，工作气隙δ1、δ4、δ6和δ7下磁场增强；工作气隙δ2、δ3、δ5和δ8下磁场相互抵消，衔铁继续受到电磁力移动1/4个齿距，此时产生电磁力的δ1和δ4位于远离永磁体的两端，δ6和δ7则靠近永磁体；不产生电磁力的δ5和δ8也位于远离永磁体的两端，δ2和δ3则靠近永磁体；当第二控制线圈10、第一控制线圈14通入如图13e所示的电流时，工作气隙δ2、δ4、δ5和δ7下磁场增强，工作气隙δ1、δ3、δ6和δ8下磁场相互抵消，衔铁继续受到电磁力移动1/4个齿距，此时产生电磁力的δ4和δ5位于远离永磁体的两端，δ2和δ7则靠近永磁体；不产生电磁力的δ1和δ8也位于远离永磁体的两端，δ3和δ6则靠近永磁体。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，衔铁就会移动一个齿距。重复上述通电方式，衔铁就会以1/4齿距的步距连续移动下去；而且无论励磁电流方向如何变化，总是可以实现四段工作气隙中有靠近永磁体的一段气隙和远离永磁体的一段气隙下各自的磁场相互增强，而剩余靠近永磁体的一段气隙和远离永磁体的一段气隙下各自的磁场相互抵消，即磁路是对称的，从而保证了电磁铁的力-位移特性对称，不同方向的励磁电流产生的力幅值相等。

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.力-位移特性对称的双相插片式直动电磁铁，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，所述定子部件具有双相电流励磁结构；

永磁体(11)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Pt的(K-1/2)倍，K为任意正整数；永磁体(11)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；永磁体(11)必须按照整个圆周均分的方式划分成偶数个区域，每个区域均轴向充磁，且N极区域和S极区域间隔排列；

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(4)相同；定子硅钢片(4)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(4)两条内边的距离S1为齿距Pt的整数倍；定子硅钢片(4)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(16)、第一衔铁硅钢片(7)、第二衔铁硅钢片(8)与推杆(17)；第一衔铁硅钢片(7)和第二衔铁硅钢片(8)均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；两种衔铁硅钢片插入衔铁保持架(16)上的插槽以构成产生电磁力所必需的衔铁凸齿结构；

第一衔铁硅钢片(7)和第二衔铁硅钢片(8)轴向错开半个齿距，第一衔铁硅钢片(7)和第二衔铁硅钢片(8)其余的结构参数相同；衔铁保持架(16)外圆周面上开有均匀分布的插槽，插槽数是能被4所整除的偶数，将衔铁保持架(16)分成与永磁体(11)对应的区域，插入第一衔铁硅钢片(7)的区域和插入第二衔铁硅钢片(8)的区域间隔排列；

衔铁保持架(16)安装在推杆(17)之上，可与阀芯联动的推杆(17)通过直线轴承支撑在前端盖(1)及后端盖(3)中。

2.如权利要求1所述的力-位移特性对称的双相插片式直动电磁铁，其特征在于：永磁体(11)必须按照整个圆周四均分的方式划分成4个区域，每个区域均轴向充磁，且N极区域和S极区域间隔排列。

3.如权利要求1或2所述的力-位移特性对称的双相插片式直动电磁铁，其特征在于：如权利要求1所述的电磁体，其特征在于：所述定子部件的双相电流励磁结构包括：第一定子保持架(12)、第二定子保持架(13)、第三定子保持架(5)、第四定子保持架(9)、定子硅钢片(4)、第一线圈保持架(15)、第二线圈保持架(6)、第一控制线圈(14)、第二控制线圈(10)、永磁体(11)和壳体(2)；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(5)、第四定子保持架(9)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(2)压紧，第一线圈保持架(15)位于定子左保持架的空腔内，所述第一控制线圈(14)环绕在第一线圈保持架(15)上组成电流励磁的一相；第三定子保持架(5)和第四定子保持架(9)形状相同，两者相互扣合构成定子右保持架并通过壳体(2)压紧，所述第二线圈保持架(6)位于所述定子右保持架的空腔内，所述第二控制线圈(10)环绕在第二线圈保持架(6)上组成电流励磁的另一相。

4.如权利要求3所述的力-位移特性对称的双相插片式直动电磁铁，其特征在于：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(5)、第四定子保持架(9)为高强度的增强尼龙材料注塑成型；衔铁保持架(16)为高强度的增强尼龙材料注塑成型；壳体(2)和前端盖(1)和后端盖(3)采用高强度的增强尼龙材料注塑成型。