CN104124848A - 一种具有正磁弹簧刚度的力矩马达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有正磁弹簧刚度的力矩马达，构成包括底板、线圈绕组A、线圈绕组B、输出轴、转子、轭铁、永磁体、顶板、轴承a、轴承b、套筒，固定在底板和顶板之间的轭铁分为左轭铁和右轭铁，左轭铁和右轭铁一侧所形成的空腔内装有永磁体，另一侧所形成的空腔内安装两平行布置的线圈绕组A和线圈绕组B，线圈绕组A和线圈绕组B的内腔设置固定在输出轴上的转子，转子两端面与轭铁内侧面形成四段环形空气间隙，输出轴两端径向通过轴承a和轴承b分别支撑在底板和顶板的孔内，轴向通过套筒和轴肩固定。本发明在一定角位移范围内具有正磁弹簧刚度的力矩-角位移特性，即转子无需外加复位弹簧，在永磁极化磁场的作用下也能够稳定在中位，具有稳定性好、角位移范围大、结构紧凑、比例控制等优点，适用于电磁驱动系统中角位移比例控制的直接驱动要求。
Description
技术领域
本发明涉及电磁驱动系统中用于角位移控制的旋转式电-机械转换器，特别是一种具有正磁弹簧刚度的力矩马达。
背景技术
力矩马达是一种旋转式电-机械转换器，其原理在于控制线圈产生的磁场与永磁极化磁场实现差动控制，所形成的电磁力矩作用在转子上，并在复位弹簧的作用下转换成角位移输出。现有力矩马达线性范围小且存在具有负磁弹簧刚度的力矩-角位移特性，正常情况下转子难以稳定在中位，必须采用较大的机械复位弹簧使其稳定在中位，一般用于小角位移的控制要求。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有正磁弹簧刚度的力矩马达。本发明无需外加复位弹簧，转子在永磁极化磁场的作用下也能够稳定在中位，具有稳定性好、角位移范围大、结构紧凑的优点。
本发明的技术方案：一种具有正磁弹簧刚度的力矩马达，其特征在于：包括底板、线圈绕组A、线圈绕组B、输出轴、转子、轭铁、永磁体、顶板、轴承a、轴承b、套筒，固定在底板和顶板之间的轭铁分为左轭铁和右轭铁，左轭铁和右轭铁一侧所形成的空腔内装有永磁体，另一侧所形成的空腔内安装两平行布置的线圈绕组A和线圈绕组B，线圈绕组A和线圈绕组B的内腔设置固定在输出轴上的转子，转子两端面与轭铁内侧面形成四段环形空气间隙，输出轴两端径向通过轴承a和轴承b分别支撑在底板和顶板的孔内，轴向通过套筒和轴肩固定。
前述的具有正磁弹簧刚度的力矩马达中，所述转子由多层导磁材料制成的叠片叠加构成，叠片的截面均为两条直径和两条圆弧围合组成的平面，转子相对轭铁的转角范围为±15°。
前述的具有正磁弹簧刚度的力矩马达中，所述左轭铁和右轭铁均由多层导磁材料制成的叠片叠加构成，且对称布置在输出轴和转子的两侧。
前述的具有正磁弹簧刚度的力矩马达中，所述等腰梯形空气间隙的锐角为30°～60°。
前述的具有正磁弹簧刚度的力矩马达中，所述线圈绕组A和线圈绕组B分别缠绕在矩形的线圈架上，每个线圈架的上下端分别固定在底板和顶板的矩形槽内，线圈绕组A和线圈绕组B的接线通过串联方式连接。
前述的具有正磁弹簧刚度的力矩马达中，所述底板和顶板由非导磁材料制成。
前述的具有正磁弹簧刚度的力矩马达中，所述永磁体为钕铁硼稀土永磁材料，磁化方向垂直于永磁体与左轭铁、右轭铁的接触面。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、左、右轭铁之间形成的等腰梯形空气间隙、轭铁与转子之间形成的四段环形空气间隙等磁路结构协同作用，使得在一定角位移范围内具有正磁弹簧刚度(值约为+0.013Nm/°)的力矩-角位移特性，即转子无需外加复位弹簧，在永磁极化磁场的作用下也能够稳定在中位，具有稳定性好、角位移范围大、结构紧凑的优点，克服了力矩马达典型结构中存在的负磁弹簧刚度特性问题。
2、实现了线圈控制磁场与单永磁极化磁场的差动磁场目的，具有直接驱动、连续可调、比例控制等优点，适用于电磁驱动系统中角位移比例控制的直接驱动要求。
3、分层叠片导磁结构能降低了交变电磁场中涡流损耗的作用，提高了电磁转换效率，降低了能量损耗。
4、还可通过改变分层叠片的层数或永磁体的尺寸大小，可调节正磁弹簧刚度的刚度系数，以满足不同负载的需求。
附图说明
图1为本发明的水平剖视结构示意图；
图2为本发明的垂直剖视结构示意图；
图3为本发明的结构爆炸图；
图4为本发明线圈绕组无电流时水平截面的磁力线分布图；
图5为本发明线圈绕组加载正电流时水平截面的磁力线分布图；
图6为本发明线圈绕组加载负电流时水平截面的磁力线分布图；
图7为本发明的角位移-控制电流特性。
附图中的标记为：1-底板，2-线圈绕组A，3-线圈绕组B，4-输出轴，5-转子，6-轭铁，7-永磁体，8-顶板，9-轴承a，10-轴承b，11-套筒，12-梯形空气间隙，13-环形空气间隙，131-环形空气间隙a,132-环形空气间隙b,133-环形空气间隙c,134-环形空气间隙d。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种具有正磁弹簧刚度的力矩马达，构成如图1-3所示，包括底板1、线圈绕组A2、线圈绕组B3、输出轴4、转子5、轭铁6、永磁体7、顶板8、轴承a9、轴承b10、套筒11，固定在底板1和顶板8之间的轭铁6分为左轭铁61和右轭铁62，左轭铁61和右轭铁62的极靴面形成等腰梯形空气间隙12；左轭铁61和右轭铁62一侧所形成的空腔内装有永磁体7，另一侧所形成的空腔内安装两平行布置的线圈绕组A2和线圈绕组B3，线圈绕组A2和线圈绕组B3的内腔设置固定在输出轴4上的转子5，转子5两端面与轭铁6内侧面形成四段环形空气间隙13(分别为环形空气间隙a、环形空气间隙b、环形空气间隙c、环形空气间隙d)，输出轴两端径向通过轴承a9和轴承b10分别支撑在底板1和顶板8的孔内，轴向通过套筒11和轴肩固定。
所述转子5由多层导磁材料(该导磁材料可以是硅钢片、坡莫合金)制成的叠片叠加构成，叠片的截面均为两条直径和两条圆弧围合组成的平面，转子5相对轭铁6的转角范围为±15°。
所述左轭铁61和右轭铁62均由多层导磁材料(该导磁材料可以是硅钢片、坡莫合金)制成的叠片叠加构成，且对称布置在输出轴4和转子5的两侧。分层导磁结构的设计降低了交变电磁场中涡流损耗的作用，提高了电磁转换效率，降低了能量损耗。
所述等腰梯形空气间隙(12)的锐角为30°～60°。
所述线圈绕组A2和线圈绕组B3分别缠绕在矩形的线圈架上，每个线圈架的上下端分别固定在底板1和顶板8的矩形槽内，线圈绕组A2和线圈绕组B3的接线通过串联方式连接。
所述底板1和顶板8由非导磁材料制成(该非导磁材料可以是不锈钢、铝或者塑料等)。
所述永磁体7为钕铁硼稀土永磁材料，磁化方向垂直于永磁体7与左轭铁61、右轭铁62的接触面。
图4-6给出了不同线圈绕组电流下的水平截面磁力线分布图。如图4所示，无控制电流时，磁力线从永磁体7出发沿右轭铁62分成两部分磁路，每部分磁力线均分别通过梯形空气间隙12和环形空气间隙13经转子5到达左轭铁61，最后回到永磁体7形成闭合磁路。当转子5处于中位时，环形空气间隙13磁力线均匀分布，在转子5上产生的电磁力矩为零；当转子5偏离中位时，环形空气间隙13的磁力线分布情况发生变化，在一定角位移范围内产生的电磁力矩与偏转角位移近似成正比，且与偏转方向相反，使得转子5能够稳定在中位，磁力矩的作用等效为一个正刚度的弹簧，即转子无需外加复位弹簧，在永磁极化磁场的作用下也能够稳定在中位，具有稳定性好、角位移范围大、结构紧凑的优点。该实施例中±15°范围内的弹簧刚度系数(即电磁力矩变化量与偏转角位移变化量的比值)为0.013Nm/°，其值可通过改变分层叠片的层数或永磁体的尺寸大小进行调节。
如图5所示，当线圈绕组A2和线圈绕组B3串联连接并加载正电流时，水平截面磁力线分布情况为：磁力线从永磁体7出发沿右轭铁62分成三部分磁路，除上述形成的两部分磁路外，大部分磁力线经右轭铁62的左极面、环形空气间隙a131、转子5、环形空气间隙d134到达左轭铁61的右极面，最后回到永磁体7形成闭合磁路。此时环形空气间隙a131和d134磁力线较集中，使得转子5产生逆时针方向的力矩，使得转子5偏离中位，当逆时针转过一定角位移时，力矩减小至零，转子5又处于稳定位置。同理，如图6所示，当线圈绕组A2和B3串联连接并加载负电流时，磁力线分布情况相类似。此时环形空气间隙b132和c133磁力线较集中，使得转子5产生顺时针方向的力矩，使得转子5偏离中位，当顺时针转过一定角位移时，力矩减小至零，转子5又处于稳定位置。
综上，该力矩马达的工作原理在于：线圈绕组产生的控制磁场与单永磁极化磁场形成了差动磁场，作用在转子上的电磁力矩直接转换成角位移而无需外加机械弹簧，具有直接驱动、连续可调、比例控制等优点。如图7所示，以逆时针角位移为正，转子角位移随着线圈绕组电流的增大而增大，可近似为比例关系，最大角位移范围为±15°，当超过该范围后，转子容易被吸到轭铁一侧而失去控制。
Claims (7)
1.一种具有正磁弹簧刚度的力矩马达，其特征在于：包括底板(1)、线圈绕组A(2)、线圈绕组B(3)、输出轴(4)、转子(5)、轭铁(6)、永磁体(7)、顶板(8)、轴承a(9)、轴承b(10)、套筒(11)，固定在底板(1)和顶板(8)之间的轭铁(6)分为左轭铁(61)和右轭铁(62)，左轭铁(61)和右轭铁(62)的极靴面形成等腰梯形空气间隙(12)；左轭铁(61)和右轭铁(62)一侧所形成的空腔内装有永磁体(7)，另一侧所形成的空腔内安装两平行布置的线圈绕组A(2)和线圈绕组B(3)，线圈绕组A(2)和线圈绕组B(3)的内腔设置固定在输出轴(4)上的转子(5)，转子(5)两端面与轭铁(6)内侧面形成四段环形空气间隙(13)，输出轴两端径向通过轴承a(9)和轴承b(10)分别支撑在底板(1)和顶板(8)的孔内，轴向通过套筒(11)和轴肩固定。
2.根据权利要求1所述的具有正磁弹簧刚度的力矩马达，其特征在于：所述转子(5)由多层导磁材料制成的叠片叠加构成，叠片的截面均为两条直径和两条圆弧围合组成的平面，转子(5)相对轭铁(6)的转角范围为±15°。
3.根据权利要求1所述的具有正磁弹簧刚度的力矩马达，其特征在于：所述左轭铁(61)和右轭铁(62)均由多层导磁材料制成的叠片叠加构成，且对称布置在输出轴(4)和转子(5)的两侧。
4.根据权利要求1所述的具有正磁弹簧刚度的力矩马达，其特征在于：所述等腰梯形空气间隙(12)的锐角为30°～60°。
5.根据权利要求1所述的具有正磁弹簧刚度的力矩马达，其特征在于：所述线圈绕组A(2)和线圈绕组B(3)分别缠绕在矩形的线圈架上，每个线圈架的上下端分别固定在底板(1)和顶板(8)的矩形槽内，线圈绕组A(2)和线圈绕组B(3)的接线通过串联方式连接。
6.根据权利要求1所述的具有正磁弹簧刚度的力矩马达，其特征在于：所述底板(1)和顶板(8)由非导磁材料制成。
7.根据权利要求1-6任一项所述的具有正磁弹簧刚度的力矩马达，其特征在于：所述永磁体(7)为钕铁硼稀土永磁材料，磁化方向垂直于永磁体(7)与左轭铁(61)、右轭铁(62)的接触面。
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