CN105406624B - 一种磁路对称的旋转电磁铁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁路对称的旋转电磁铁，包括前段盖和后端盖，所述的前段盖和后端盖上安装有转子部件，所述的转子部件两侧的前段盖和后端盖上分别安装有定子部件；所述转子部件包括通过第一轴承和第二轴承安装在前端盖和后端盖上的转子轴，可绕中心轴线转动，所述的转子轴的两侧分别安装有第一永磁体、第二永磁体、转子第一段、转子第二段和转子第三段；所述的定子部件包括第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁、第四轭铁、线圈和线圈保持架。本发明通过改进的双磁钢式电磁设计，使得通过机械加工的方式也可以制作出磁路对称的旋转电磁铁，其结构简单，加工便利。
Description
技术领域
本发明属于流体传动及控制领域中的电-机械能量转换装置，尤其涉及一种磁路对称的旋转电磁铁。
背景技术
近年来，利用伺服螺旋机构原理工作的2D数字伺服阀因其具有结构简单，响应速度快，精度高，抗污染能力强等优点，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。常规的2D数字伺服阀用电-机械转换器一般为混合励磁的旋转电磁铁，其结构按照电磁铁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,电磁铁的电气可靠性优于径向分相结构；第二、轴向分相的电磁铁可以采用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，从而提升了电磁铁的输出力矩。
轴向分相式电磁铁的基本工作原理都是将定子分为单相或者两相置于永磁体的单边或者两边，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，则永磁体在工作气隙下产生的极化磁场强度相同，此时磁路对称，即电磁铁在不同方向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，这就造成了电磁铁磁路不对称，当励磁电流的磁场和永磁体的磁场差动叠加时，电磁铁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，这种不对称的矩角特性会影响到2D数字阀的定位精度，使其无法呈现出应有的高性能。为解决这个问题,也有专利提出将转子和定子齿在径向和轴向上同时错齿,并采用定转子保持架注塑成型的方法构成磁路对称的插片式旋转电磁铁,其矩角特性可保持严格对称,缺点是定转子无法用传统的机械加工方式进行，制作时需要专门的注塑模具,费时费力。
发明内容
为了克服现有的磁路对称式旋转电磁铁定转子无法用传统的机械加工方式进行，制作时需要专门的注塑模具,费时费力的问题，本发明提出一种结构简单且加工简便的磁路对称式旋转电磁铁。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种磁路对称的旋转电磁铁，包括前段盖和后端盖，所述的前段盖和后端盖上安装有转子部件，所述的转子部件两侧的前段盖和后端盖上分别安装有定子部件；所述转子部件包括通过第一轴承和第二轴承安装在前端盖和后端盖上的转子轴，可绕中心轴线转动，所述的转子轴的两侧分别安装有第一永磁体、第二永磁体、转子第一段、转子第二段和转子第三段；所述的定子部件包括第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁、第四轭铁、线圈和线圈保持架。
所述的转子第二段的外侧安装有第二轭铁和第三轭铁，所述的第二轭铁和第三轭铁上开设有开口，且所述的第二轭铁和第三轭铁上的开口相对放置形成空腔；所述的空腔内安装有线圈保持架，所述的线圈保持架为圆环状的线圈保持架；所述的线圈保持架上环绕有线圈组成电流励磁源；所述的转子第一段的外侧安装有第一轭铁，所述的转子第三段的外侧安装有第四轭铁；所述的前段盖、第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁、第四轭铁和后端盖之间依次穿过第一轴且利用第三轴承、第四轴承固连，使第一轭铁、第四轭铁分别镶嵌在前端盖和后端盖的侧壁内。
所述的第一轭铁和第四轭铁均呈圆环状；所述的第二轭铁和第三轭铁均呈半开口状，且所述第二轭铁、第三轭铁上的开口相对放置形成空腔；所述第一轭铁和第四轭铁的一侧开设有圆环形凹槽，另一侧开设有圆环形凸台；所述的第二轭铁和第三轭铁的一侧均开设有圆环形凹槽；其中所述的第二轭铁的圆环形凹槽内镶嵌有第一轭铁的圆环形凸台，所述的第一轭铁的圆环形凹槽镶嵌在前端盖的凸台上；所述的第三轭铁的圆环形凹槽内镶嵌有第四轭铁的圆环形凸台，所述第四轭铁的圆环形凹槽镶嵌在后端盖的凸台上；所述的第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁、第四轭铁内圆环的圆周面均布开设有小齿，且第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁、第四轭铁上的小齿齿数相同。
所述第一轭铁、第四轭铁齿形位置相同，所述的第二轭铁和第一轭铁之间错齿 1/4个齿距，所述的第三轭铁和第二轭铁之间错齿 1/2个齿距；所述的第三轭铁外表面开有长方形导线引出凹槽，以方便将线圈端引出与外界控制电路相连。
所述转子轴由方形段、大圆形段和小圆形段依次衔接而成，且所述的方形段宽度大于大圆形段的直径，所述的小圆形段的直径小于大圆形段的直径；使得所述转子轴呈阶梯状；所述的方形段与转子第一段、转子第二段、转子第三段配合安装，保证旋转时不易变位；所述转子第一段、转子第二段、转子第三段均为中心开设有方形孔的圆环状设置，且所述的转子第一段、转子第三段上圆环的一侧周边开设有圆环形凹槽，所述的转子第二段上圆环的两侧周边均开设有圆环形凹槽；所述的第一永磁体为圆环状第一永磁体，所述的第二永磁体为圆环状第二永磁体；所述的转子第一段和转子第二段的圆环形凹槽上镶嵌有第一永磁体，所述的转子第二段和转子第三段的圆环形凹槽上镶嵌有第二永磁体；所述的转子第一段、转子第二段、和转子第三段的外圆周面上开设有与第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁、第四轭铁齿数相同的小齿。
所述的前段盖和后端盖之间穿过第二轴且利用第五轴承固连。
所述的前端盖为不导磁材料制成的非导磁体前端盖；所述的后端盖为不导磁材料制成的非导磁体后端盖；所述的线圈保持架为不导磁材料制成的非导磁体线圈保持架；所述的转子轴为不导磁材料制成的非导磁体转子轴；所述第一轭铁为软磁材料制成的导磁体第一轭铁；所述的第二轭铁为软磁材料制成的导磁体第二轭铁；所述的第三轭铁为软磁材料制成的导磁体第三轭铁；所述的第四轭铁为软磁材料制成的导磁体第四轭铁；所述的转子第一段为软磁材料制成的导磁体转子第一段；所述的转子第二段为软磁材料制成的导磁体转子第二段；所述的转子第三段为软磁材料制成的导磁体转子第三段。
本发明的有益效果为：本发明通过改进的双磁钢式电磁设计，使得通过机械加工的方式也可以制作出磁路对称的旋转电磁铁，其结构简单，加工便利。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明转子轴的结构示意图；
图3为本发明转子第一段或转子第三段的结构示意图；
图4为本发明转子第二段的结构示意图；
图5为本发明第二轭铁的结构示意图；
图6为本发明第三轭铁的结构示意图；
图7为本发明第一永磁体或第二永磁体的结构示意图；
图8为本发明转子轴一侧的转子部件和定子部件的初始位置的工作原理示意图；
图9为本发明转子轴一侧的转子部件和定子部件，且线圈通X方向电流时的工作原理示意图；
图10为本发明转子轴一侧的转子部件和定子部件，且线圈通⊙方向电流时的工作原理示意图。
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1～7所示，一种磁路对称的旋转电磁铁，包括前段盖3和后端盖8，所述的前段盖3和后端盖8上安装有转子部件，所述的转子部件两侧的前段盖3和后端盖8上分别安装有定子部件；所述转子部件包括通过第一轴承23和第二轴承11安装在前端盖3和后端盖8上的转子轴24，可绕中心轴线转动，所述的转子轴24的两侧分别安装有第一永磁体20、第二永磁体16、转子第一段22、转子第二段17和转子第三段10；所述的定子部件包括第一轭铁4、第二轭铁5、第三轭铁6、第四轭铁7、线圈19和线圈保持架18。
所述的转子第二段17的外侧安装有第二轭铁5和第三轭铁6，所述的第二轭铁5和第三轭铁6上开设有开口，且所述的第二轭铁5和第三轭铁6上的开口相对放置形成空腔；所述的空腔内安装有线圈保持架18，所述的线圈保持架18为圆环状的线圈保持架，所述的线圈保持架18上环绕有线圈19组成电流励磁源；所述的转子第一段22的外侧安装有第一轭铁4，所述的转子第三段10的外侧安装有第四轭铁7；所述的前段盖3、第一轭铁4、第二轭铁5、第三轭铁6、第四轭铁7和后端盖8之间依次穿过第一轴1且利用第三轴承2、第四轴承9固连，使第一轭铁4、第四轭铁7分别镶嵌在前端盖3和后端盖8的侧壁内。
所述的第一轭铁4和第四轭铁7均呈圆环状；所述的第二轭铁5和第三轭铁6均呈半开口状，且所述第二轭铁5、第三轭铁6上的开口相对放置形成空腔；所述第一轭铁4和第四轭铁7的一侧开设有圆环形凹槽14，另一侧开设有圆环形凸台15；所述的第二轭铁5和第三轭铁6的一侧均开设有圆环形凹槽14；其中所述的第二轭铁5的圆环形凹槽14内镶嵌有第一轭铁4的圆环形凸台15，所述的第一轭铁4的圆环形凹槽14镶嵌在前端盖3的凸台上；所述的第三轭铁6的圆环形凹槽14内镶嵌有第四轭铁7的圆环形凸台15，所述第四轭铁7的圆环形凹槽14镶嵌在后端盖8的凸台上；所述的第一轭铁4、第二轭铁5、第三轭铁6、第四轭铁7内圆环的圆周面均布开设有小齿21，且第一轭铁4、第二轭铁5、第三轭铁6、第四轭铁7上的小齿21齿数相同。
所述第一轭铁4、第四轭铁7齿形位置相同，所述的第二轭铁5和第一轭铁4之间错齿 1/4个齿距，所述的第三轭铁6和第二轭铁5之间错齿 1/2个齿距；所述的第三轭铁6外表面开有长方形导线引出凹槽25，以方便将线圈19端引出与外界控制电路相连。
所述转子轴24由方形段26、大圆形段32和小圆形段28依次衔接而成，且所述的方形段26宽度大于大圆形段32的直径，所述的小圆形段28的直径小于大圆形段32的直径；使得所述转子轴24呈阶梯状；所述的方形段26与转子第一段22、转子第二段17、转子第三段10配合安装，保证旋转时不易变位；所述转子第一段22、转子第二段17、转子第三段10均为中心开设有方形孔29的圆环状设置，且所述的转子第一段29、转子第三段12上圆环的一侧周边开设有圆环形凹槽27，所述的转子第二段21上圆环的两侧周边均开设有圆环形凹槽27；所述的第一永磁体24为圆环状第一永磁体，所述的第二永磁体17为圆环状第二永磁体；所述的转子第一段22和转子第二段17的圆环形凹槽14上镶嵌有第一永磁体20，且被轴向磁化成N极和S极；所述的转子第二段17和转子第三段10的圆环形凹槽14上镶嵌有第二永磁体16，且被轴向磁化成N极和S极；所述的转子第一段22、转子第二段17、和转子第三段10的外圆周面上开设有与第一轭铁4、第二轭铁5、第三轭铁6、第四轭铁7齿数相同的小齿21；
所述的前段盖3和后端盖8之间穿过第二轴13且利用第五轴承12固连。
所述的前端盖3为不导磁材料制成的非导磁体前端盖；所述的后端盖9为不导磁材料制成的非导磁体后端盖；所述的线圈保持架22为不导磁材料制成的非导磁体线圈保持架；所述的转子轴14为不导磁材料制成的非导磁体转子轴；所述第一轭铁30为软磁材料制成的导磁体第一轭铁；所述的第二轭铁5为软磁材料制成的导磁体第二轭铁；所述的第三轭铁7为软磁材料制成的导磁体第三轭铁；所述的第四轭铁18为软磁材料制成的导磁体第四轭铁；所述的转子第一段29为软磁材料制成的导磁体转子第一段；所述的转子第二段21为软磁材料制成的导磁体转子第二段；所述的转子第三段12为软磁材料制成的导磁体转子第三段。
本实施例以转子第一段22、转子第二段17、和转子第三段10的外圆周面上均匀分布开设有7个小齿21的结构为例，结合附图对本发明作进一步说明。
如图8所示，在线圈19不通电的情况下，整个电磁铁只有第一永磁体20、第二永磁体16产生的极化磁场，而且磁路左右对称，使得电磁铁在不工作时能够停留在初始平衡位置，而且在断电时自动回复原位；
工作原理：如图8所示，第一轭铁4、第二轭铁5、第三轭铁6、第四轭铁7分别与转子第一段22、转子第二段17、转子第三段10形成四段有效工作气隙δd、δc、δb、δa，当线圈19不通电流时，各极下工作气隙内只有第一永磁体20和第二永磁体16产生的极化磁场，电磁铁将会自动停留在系统总磁导最大的位置，即初始位置；当线圈19通入如图9所示X方向的电流时，各极下工作气隙内不仅有第一永磁体20和第二永磁体16产生的极化磁场，还有线圈19产生的控制磁场，工作气隙δa和δd只有第一永磁体20和第二永磁体16产生的极化磁场，工作气隙δb和δc既有第一永磁体20和第二永磁体16产生的极化磁场，也有线圈19产生的控制磁场，而在工作气隙δc处极化磁场和控制磁场产生的磁通相互叠加而增强，在工作气隙δb处极化磁场和控制磁场产生的磁通相互抵消而减弱，则此时电磁铁转子受到顺时针方向的力矩（从左向右看）转动1/4个齿距达到新的平衡位置，如图9所示；同样地，当线圈19通入如图10所示⊙方向的电流时，各极下工作气隙内不仅有第一永磁体20和第二永磁体16产生的极化磁场，还有线圈19产生的控制磁场，工作气隙δa和δd只有第一永磁体20和第二永磁体16产生的极化磁场，工作气隙δb和δc既有第一永磁体20和第二永磁体16产生的极化磁场，也有线圈产生的控制磁场，而在工作气隙δc处极化磁场和控制磁场产生的磁通相互抵消而减弱，在工作气隙δb处极化磁场和控制磁场产生的磁通相互叠加而增强，则此时电磁铁转子受到逆时针方向的力矩（从左向右看）转动1/4个齿距达到新的平衡位置，如图10所示。
当线圈断电，电磁铁在第一永磁体20和第二永磁体16极化磁场的作用下回到如图8所示的初始平衡位置。可以看到，只要线圈19的电流通断，就可以控制电磁铁的双向快速来回动作，而适当调整电磁铁本身的结构参数，可以控制转子转动的角度。
本实施例通过改进的双磁钢式电磁设计，使得通过机械加工的方式也可以制作出磁路对称的旋转电磁铁，其结构简单，加工便利。
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 (5)
1.一种磁路对称的旋转电磁铁，其特征在于，包括前段盖(3)和后端盖(8)，所述的前段盖(3)和后端盖(8)上安装有转子部件，所述的转子部件两侧的前段盖(3)和后端盖(8)上分别安装有定子部件；所述转子部件包括通过第一轴承(23)和第二轴承(11)安装在前端盖(3)和后端盖(8)上的转子轴(24)，所述的转子轴(24)的两侧分别安装有第一永磁体(20)、第二永磁体(16)、转子第一段(22)、转子第二段(17)和转子第三段(10)；所述的定子部件包括第一轭铁(4)、第二轭铁(5)、第三轭铁(6)、第四轭铁(7)、线圈(19)和线圈保持架(18)；所述的转子第二段(17)的外侧安装有第二轭铁(5)和第三轭铁(6)，所述的第二轭铁(5)和第三轭铁(6)上开设有开口，且所述的第二轭铁(5)和第三轭铁(6)上的开口相对放置形成空腔；所述的空腔内安装有线圈保持架(18)，所述的线圈保持架(18)为圆环状的线圈保持架，所述的线圈保持架(18)上环绕有线圈(19)组成电流励磁源；所述的转子第一段(22)的外侧安装有第一轭铁(4)，所述的转子第三段(10)的外侧安装有第四轭铁(7)；所述的前段盖(3)、第一轭铁(4)、第二轭铁(5)、第三轭铁(6)、第四轭铁(7)和后端盖(8)之间依次穿过第一轴(1)且利用第三轴承(2)、第四轴承(9)固连，使第一轭铁(4)、第四轭铁(7)分别镶嵌在前端盖(3)和后端盖(8)的侧壁内；所述的第一轭铁(4)和第四轭铁(7)均呈圆环状；所述的第二轭铁(5)和第三轭铁(6)均呈半开口状，且所述第二轭铁(5)、第三轭铁(6)上的开口相对放置形成空腔；所述第一轭铁(4)和第四轭铁(7)的一侧开设有圆环形凹槽(14)，另一侧开设有圆环形凸台(15)；所述的第二轭铁(5)和第三轭铁(6)的一侧均开设有圆环形凹槽(14)；其中所述的第二轭铁(5)的圆环形凹槽(14)内镶嵌有第一轭铁(4)的圆环形凸台(15)，所述的第一轭铁(4)的圆环形凹槽(14)镶嵌在前端盖(3)的凸台上；所述的第三轭铁(6)的圆环形凹槽(14)内镶嵌有第四轭铁(7)的圆环形凸台(15)，所述第四轭铁(7)的圆环形凹槽(14)镶嵌在后端盖(8)的凸台上；所述的第一轭铁(4)、第二轭铁(5)、第三轭铁(6)、第四轭铁(7)内圆环的圆周面均布开设有小齿(21)，且第一轭铁(4)、第二轭铁(5)、第三轭铁(6)、第四轭铁(7)上的小齿(21)齿数相同。
2.如权利要求1所述的一种磁路对称的旋转电磁铁，其特征在于，所述第一轭铁(4)、第四轭铁(7)齿形位置相同，所述的第二轭铁(5)和第一轭铁(4)之间错齿1/4个齿距，所述的第三轭铁(6)和第二轭铁(5)之间错齿1/2个齿距；所述的第三轭铁(6)外表面开有长方形导线引出凹槽(25)。
3.如权利要求1所述的一种磁路对称的旋转电磁铁，其特征在于，所述转子轴(24)由方形段(26)、大圆形段(27)和小圆形段(28)依次衔接而成，且所述的方形段(26)宽度大于大圆形段(27)的直径，所述的小圆形段(28)的直径小于大圆形段(27)的直径；使得所述转子轴(24)呈阶梯状；所述的方形段(26)与转子第一段(22)、转子第二段(17)、转子第三段(10)配合安装；所述转子第一段(22)、转子第二段(17)、转子第三段(10)均为中心开设有方形孔(29)的圆环状设置，且所述的转子第一段(29)、转子第三段(12)上圆环的一侧周边开设有圆环形凹槽(27)，所述的转子第二段(21)上圆环的两侧周边均开设有圆环形凹槽(27)；所述的第一永磁体(24)为圆环状第一永磁体，所述的第二永磁体(17)为圆环状第二永磁体；所述的转子第一段(22)和转子第二段(17)的圆环形凹槽(14)上镶嵌有第一永磁体(20)，所述的转子第二段(17)和转子第三段(10)的圆环形凹槽(14)上镶嵌有第二永磁体(16)；所述的转子第一段(22)、转子第二段(21)、和转子第三段(12)的外圆周面上开设有与第一轭铁(30)、第二轭铁(5)、第三轭铁(6)、第四轭铁(7)齿数相同的小齿(21)。
4.如权利要求1所述的一种磁路对称的旋转电磁铁，其特征在于，所述的前段盖(3)和后端盖(8)之间穿过第二轴(13)且利用第五轴承(12)固连。
5.如权利要求1所述的一种磁路对称的旋转电磁铁，其特征在于，所述的前端盖(3)为不导磁材料制成的非导磁体前端盖；所述的后端盖(8)为不导磁材料制成的非导磁体后端盖；所述的线圈保持架(22)为不导磁材料制成的非导磁体线圈保持架；所述的转子轴(14)为不导磁材料制成的非导磁体转子轴；所述第一轭铁(30)为软磁材料制成的导磁体第一轭铁；所述的第二轭铁(5)为软磁材料制成的导磁体第二轭铁；所述的第三轭铁(7)为软磁材料制成的导磁体第三轭铁；所述的第四轭铁(18)为软磁材料制成的导磁体第四轭铁；所述的转子第一段(29)为软磁材料制成的导磁体转子第一段；所述的转子第二段(21)为软磁材料制成的导磁体转子第二段；所述的转子第三段(12)为软磁材料制成的导磁体转子第三段。
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