CN107910963A - 表贴式电磁铁 - Google Patents

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孟彬
裘信国
陈品超
杨昆
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Abstract

一种表贴式电磁铁，定子铁轭有四个主磁极，其分布在表贴式电磁铁的对角线上，且极靴在以转子轴线为中心轴的圆柱面上；定子铁轭侧面中间分别开有对称的缺口，用来绕制第一控制线圈和第二控制线圈，产生控制磁场；前后端盖在四角处与定子铁轭固定，前后端盖分别开有轴承座孔；转子中间开有连接输出轴的孔且与输出轴是过盈配合，转子上沿径向每隔90°有一个凸台，台面分布在以转子轴线为中心轴，面到转子中心的距离为半径的圆柱面上，这四个台面组成转子的极靴；永磁体安装在转子极靴上，并与定子极靴留有一定的气隙，在转子相对的极靴上安装充磁方向不同的永磁体，且要保证相邻极靴安装的永磁体充磁方向不同。本发明结构紧凑、输出力矩大、转动角度大。

Description

表贴式电磁铁
技术领域
本发明属于流体传动及控制领域中电液伺服阀用的电-机械转换机构，尤其涉及表贴式电磁铁。
背景技术
电液伺服控制技术主要应用于冶金、船舶、航空航天和军事等领域。电液伺服阀作为连接系统电气部分和液压部分的纽带,是电液伺服控制系统的核心元件,其性能好坏直接影响伺服系统的特性及功能实现。在现有电液伺服阀中比较常见的喷嘴挡板阀和射流管阀中，大量采用力矩马达作为电-机械转换器。力矩马达将电信号转换为机械运动，利用电磁原理工作，由永久磁铁或激磁线圈产生极化磁场，电气控制信号通过控制线圈产生控制磁场，两个磁场之间相互作用产生与控制信号成比例并能反应控制信号极性的力或力矩，从而使其运动部分产生直线位移或角位移机械运动。根据按可动件的运动形式分为直线位移式和角位移式，按可动件的结构形式分为动铁式和动圈式。动铁式力矩马达的衔铁由软磁材料制成,控制线圈一般跨绕在衔铁上,以提供控制磁通。偏置磁通的励磁方式有电励磁和永磁励磁,电励磁方式则可以提供灵活多变的偏置磁通,方便力矩马达的特性调节，永磁励磁式转换器结构紧凑。工作气隙按照不同的特性要求也具有矩形和环形等多种形式。
传统的力矩马达大多采用矩形气隙，这种力矩马达产生的附加磁力矩相当于一个具有负弹簧刚度的弹簧,使衔铁进一步偏离中位,对力矩马达的稳定工作造成不利影响。因此,在实际使用中,马达的机械平衡弹簧必须具有刚度裕量,以平衡这一磁弹簧刚度。
普通的力矩马达的永磁体都是安装在定子上面，增加了力矩马达的体积，导致力矩马达的体积/功率比增大，这对电液伺服控制系统是不利的，而且定子由相同的两部分组成，对加工和安装的要求高。传统力矩马达的控制线圈安装在衔铁上，不仅限制了力矩马达转动的角度，也不利于线圈散热。
发明内容
为了克服现有的力矩马达体积较大、输出力矩较小、转动角度较小的不足，本发明提供一种结构紧凑、输出力矩大、转动角度大的表贴式电磁铁。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种表贴式电磁铁，包括前后端盖、转子、定子铁轭、输出轴、第一控制线圈和第二控制线圈、第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体和第四永磁体；
所述定子铁轭有四个主磁极，四个主磁极分布在表贴式电磁铁的对角线上，且极靴在以转子轴线为中心轴的圆柱面上；定子铁轭侧面中间分别开有对称的缺口，用来绕制第一控制线圈和第二控制线圈，产生控制磁场；
所述的前后端盖在四角处与定子铁轭固定，前后端盖分别开有轴承座孔；所述的转子中间开有连接输出轴的孔，且与输出轴是过盈配合，转子上沿径向每隔90°有一个凸台，台面分布在以转子轴线为中心轴，面到转子中心的距离为半径的圆柱面上，这四个台面组成转子的极靴；
所述的永磁体安装在转子极靴上，并与定子极靴留有一定的气隙，在转子相对的极靴上安装充磁方向不同的永磁体，且要保证相邻极靴安装的永磁体充磁方向不同。
进一步，所述前后端盖用不导磁的金属材料制成，转子和定子铁轭用高导磁率的金属软磁材料制成。
更进一步，四块永磁体中，其中两块充磁方向为沿径向指向圆心，另外两块充磁方向为沿径向背离圆心。
优选的，所述的永磁体为瓦片状。
在定子铁轭的四角处开有的螺栓孔，所述的前后端盖在四角处设计有圆环形的凸台与定子铁轭配合。
本发明的原理：表贴式电磁铁气隙下的磁场由两部分组成，一部分是永磁体产生的极化磁场，另一部分是控制线圈产生的励磁磁场，这两个磁场相互调制以实现力矩马达的正常工作。当力矩马达不通电时，其气隙磁场仅取决于永磁体的极化磁场，此时四个磁极下的定转子的位置关系相同，也就是每个磁极中的定子和转子之间的工作气隙相同，通过四个工作气隙的磁通相同，转子处于平衡状态。当控制线圈中有电流流过时，其产生的励磁磁场和永磁体的极化磁场便相互作用，从而产生输出力矩。力矩的大小可以通过控制电流的大小来调节，力矩的方向也可以通过控制电流的方向来调节。旋转的最大角度理论上为正负转子每个极面所占的弧度。
本发明的有益效果主要表现在：
1.本发明的偏置磁通变化所产生的附加磁力矩能够使偏离中位的衔铁转子回至中位,与机械平衡弹簧的作用相同，有利于力矩马达工作的稳定性。本发明的定子铁轭是一个整体，有利于加工与装配。永磁体安装在转子上，使得电磁铁的结构紧凑、体积小，减小了电磁铁的体积/功率比，易于实现小型化。
2.本发明采用四个主磁极，有利于增加输出力矩，弥补了力矩小的缺点，并且四个主磁极分布在对角线上，这样使得力矩马达的结构紧凑，同时能够给控制线圈提供更大的空间，可以增加控制控制磁通，从而提高力矩。
3.本发明控制线圈不是安装在转子上，而是外置在定子上。定子上有足够的空间绕制线圈，这样设计不仅可以提高控制线圈的匝数，而且转子的尺寸不会受到线圈的约束，也有利于线圈散热，适合耐高压设计。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的去掉前端盖的示意图；
图3是本发明的前端盖示意图，后端盖与其结构相同；
图4是本发明的定子铁轭结构示意图；
图5是本发明的第一永磁体结构示意图，第二、三、四永磁体结构与其一致；
图6为本发明的转子铁心的结构示意图；
图7为本发明的原理图，其中7a表示转子处于中位的状态，图7b表示通入如图所示电流转子逆时针转动的状态，图7c表示通入如图所示的电流转子顺时针转动的状态。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1～图7，一种表贴式电磁铁，包括前端盖2、后端盖1、转子7、定子铁轭3、输出轴6、第一控制线圈9和第二控制线圈10、第一永磁体4、第二永磁体5、第三永磁体11、第四永磁体12、轴环套筒13。
所述的定子铁轭3有四个主磁极，四个主磁极分布在表贴式电磁铁的对角线上，且极靴在以转子轴线为中心轴的圆柱面上。定子铁轭侧面中间分别开有对称的缺口，用来绕制第一控制线圈9和第二控制线圈10，产生控制磁场。在定子铁轭的四角处开有的螺栓孔，这样避免了螺栓孔对磁路的影响。
所述的前后端盖2和1在四角处设计有圆环形的凸台与定子铁轭3配合，使得电磁铁整体结构紧凑，前后端盖分别开有轴承座孔。所述的转子中间开有连接输出轴6的孔，且与输出轴是过盈配合，转子7上沿径向每隔90°有一个凸台，台面分布在以转子轴线为中心轴，面到转子中心的距离为半径的圆柱面上，这四个台面组成转子的极靴。
所述的永磁体为瓦片状，分别为第一永磁体4、第二永磁体5、第三永磁体11、第四永磁体12，安装在转子极靴上，并与定子极靴留有一定的气隙。要求四块永磁体的充磁方向也不一样，其中两块充磁方向为沿径向指向圆心，另外两块充磁方向为沿径向背离圆心。在转子相对的极靴上安装充磁方向不同的永磁体，且要保证相邻极靴安装的永磁体充磁方向不同。安装永磁体时先把转子极靴清洗干净，按照上述要求安装并用AB胶将永磁体固定。
前后端盖用不导磁的的金属材料制成，而转子和定子铁轭用高导磁率的金属软磁材料制成。
转子处于中位：当力矩马达处于控制线圈不通电的初始状态时，如图7a所示，定子磁极与转子磁极错开个相同极面，四个磁极中的工作气隙大小相同，且四个工作气隙的磁通相同，转子处于中位的位置。
转子逆时针旋转：当两侧控制线圈同时通入如图7b所示方向的电流时，磁极1和磁极4的工作气隙中，通过的线圈的励磁磁场与永磁体的极化磁场的方向一致，此时磁极极下气隙磁通将处于最大的位置，转子逆时针旋转，力矩的大小、旋转的角度可以通过控制电流的大小调节，旋转的极限位置为磁极1和磁极4定子极面和转子极面即将错开的位置。磁极2和磁极3的工作气隙中，通过的线圈的励磁磁场与永磁体的极化磁场的方向相反，此时磁极极下气隙磁通将处于最小的位置，即磁极2和磁极3将逆时针旋转。
转子顺时针旋转：当两侧控制线圈同时通入如图7c所示的电流时，磁极2和磁极3的工作气隙中，通过的线圈的励磁磁场与永磁体的极化磁场的方向一致，转子顺时针旋转，力矩的大小、旋转的角度可以通过控制电流的大小调节，旋转的最极限位置为磁极2和磁极3定子极面和转子极面即将错开的位置。磁极1和磁极4的工作气隙中，通过的线圈的励磁磁场与永磁体的极化磁场的方向相反，磁极1和磁极4的工作气隙中，通过的线圈的励磁磁场与永磁体的极化磁场的方向相反，此时磁极极下气隙磁通将处于最小的位置，即磁极2和磁极3将顺时针旋转。
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)

1.一种表贴式电磁铁，其特征在于：所述电磁铁包括前后端盖、转子、定子铁轭、输出轴、第一控制线圈和第二控制线圈、第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体和第四永磁体；
所述定子铁轭有四个主磁极，四个主磁极分布在表贴式电磁铁的对角线上，且极靴在以转子轴线为中心轴的圆柱面上；定子铁轭侧面中间分别开有对称的缺口，用来绕制第一控制线圈和第二控制线圈，产生控制磁场；
所述的前后端盖在四角处与定子铁轭固定，前后端盖分别开有轴承座孔；所述的转子中间开有连接输出轴的孔，且与输出轴是过盈配合，转子上沿径向每隔90°有一个凸台，台面分布在以转子轴线为中心轴，面到转子中心的距离为半径的圆柱面上，这四个台面组成转子的极靴；
所述的永磁体安装在转子极靴上，并与定子极靴留有一定的气隙，在转子相对的极靴上安装充磁方向不同的永磁体，且要保证相邻极靴安装的永磁体充磁方向不同。
2.如权利要求1所述的表贴式电磁铁，其特征在于：所述前后端盖用不导磁的金属材料制成，转子和定子铁轭用高导磁率的金属软磁材料制成。
3.如权利要求1或2所述的表贴式电磁铁，其特征在于：四块永磁体中，其中两块充磁方向为沿径向指向圆心，另外两块充磁方向为沿径向背离圆心。
4.如权利要求1或2所述的表贴式电磁铁，其特征在于：所述的永磁体为瓦片状。
5.如权利要求1或2所述的表贴式电磁铁，其特征在于：在定子铁轭的四角处开有的螺栓孔，所述的前后端盖在四角处设计有圆环形的凸台与定子铁轭配合。
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