CN109075686B - 具有建立电枢至磁场间隙的机械柔性部的力矩马达 - Google Patents

Abstract

力矩马达具有机械基准构件、电枢和磁场组件。磁场组件包括限定磁极开口的磁场极靴，电枢安装到机械基准构件上用于绕马达轴线旋转，且延伸到磁极开口中并且到磁场极靴有相应的间隙。磁场组件固定到机械基准构件上并通过可弹性地变形的柔性部与其间隔开，柔性部变形到足以将电枢在磁极开口内定位在预定位置处，使得间隙具有相应的长度。在制造期间，可以施加载荷以使磁场组件克服柔性部的变形力而相对于机械基准构件移动，以相对于电枢极靴定位磁极开口，使得形成所需长度的间隙。

Description

具有建立电枢至磁场间隙的机械柔性部的力矩马达

技术领域

具有建立电枢至磁场间隙的机械柔性部的力矩马达。

背景技术

有限转角力矩马达可用于许多应用中，例如电动液压伺服阀的第一级。力矩马达将电流(例如，在几十毫安的量级上)转换成完成机械功(例如将挡板或喷射装置定位在伺服阀中)的力矩或力。这种类型的典型力矩马达至少包括电枢组件和磁场组件。磁场组件是固定的磁路，该磁路具有由软磁材料构成的极靴的构造，以将来自一个或更多个永磁体的通量导入一对磁极开口中。电枢灵活地安装在力矩马达结构上，用于绕马达轴线旋转。电枢的每个端部延伸到相应的磁极开口中并到磁场极靴形成相应的间隙。电枢被一个或更多个线圈包围，该线圈由来自电子放大器的电流激励。电枢机械地联接到待移动的物体(例如挡板或喷射装置)上，并以在与电枢相对于磁极的有限转角行程相对应的运动范围移动。磁路对电枢和磁极之间的间隙的长度高度敏感，因为由电枢和磁极面之间的磁吸引力引起的不平衡力引入磁偏置，该磁偏置相对于其所需的机械静止位置使机械输出移位。

发明内容

本公开描述了一种用于在有限转角力矩马达中设定电枢至磁极的空气间隙的机构。如本领域技术人员所知的，力矩马达没有施加电流的初始旋转位置(称为“零点位置”)可能对电枢和磁极的相对位置非常敏感，由于电枢和磁极之间形成的磁吸引力。在零点位置不正确的情况下，必须向力矩马达线圈施加电流(称为“零点电流”)以将马达驱动到正确的位置，并且该电流是用于力矩马达的应用中的典型规格参数。在许多实施例中，所有间隙在理想情况下是相同的，且因此零点位置是通过线圈的零点电流实现的。力矩马达的一侧或两侧上的上部间隙和下部间隙的非常小的不对称性可能需要一些更大值的零点电流，该更大值的零点电流可能远远超出应用中的零点需求。因此，需要在力矩马达制造期间非常精确地设定间隙。在其他实施例中，间隙长度之间可能存在刻意的差异，以便设定非零的零点位置。在这些实施例中，仍然必须精确地调整间隙以提供所需要的零点位置。

可以通过各种方式实现磁零点的设定，例如在磁路部件下使用垫片、在组装马达中对间隙进行放电加工、使用可变形的磁极结构，或在马达组合期间(例如通过敲击螺钉夹紧的部件)重新定位磁性部件。这些方法具有固有的缺点。垫片的使用涉及额外的部件和手动过程，该手动过程可能需要多次迭代以获得所需要的尺寸。放电加工是一种相对慢的分批式过程，如果要大量制造力矩马达，则可能需要在机械设备上进行大量投资。可变形的磁极结构需要非常多变的手动过程，通常需要在非常精细的部件附近的位置施加大的力。重新定位螺钉夹紧的部件通常是手动的、劳动密集的过程。

因此，本公开涉及一种用于精确地调整力矩马达磁极相对于电枢的位置以便获得所希望的零点电流的机构和过程。这可以在没有额外部件的情况下完成。该过程是可以自动化的单个流程，意思是该过程一次适用于单个部件，并且不需要批量部件，因此是经济的。

更具体地，公开了一种力矩马达，该力矩马达具有机械基准构件、电枢和磁场组件。磁场组件包括限定磁极和磁极之间的磁极开口的磁场极靴。电枢可以是电枢组件的一部分，还包括将电枢联接到机械基准构件的一个或更多个机械弹簧，以允许电枢绕马达轴线旋转。电枢的两端延伸到相应的磁极开口中，形成从电枢到相应的磁场极靴的间隙。磁场组件通过一组可变形的柔性部与机械基准构件间隔开。柔性部充分变形以将电枢极靴在磁极开口内定位在预定位置处，使得各个间隙具有相应的预定的长度。

磁场组件可用一个或更多个紧固件(例如延伸穿过磁场组件并进入机械基准构件中的螺栓)固定到机械基准构件上。在一个实施例中，在调整期间，可变形的柔性部移位超过它们的弹性极限(塑性地变形)，并且在组装或使用中施加的任何载荷远小于柔性部的弹性载荷极限。因此，柔性部永久变形，以为机械基准构件提供调整的位置。在第二实施例中，通过施加诸如力矩马达组装螺钉等的外部载荷，柔性部在其弹性极限内变形，并且可在柔性部弹性范围内调整。第三实施例结合了柔性部的弹性变形和塑性变形。在一个实施例中，机械基准构件是在力矩马达的一个轴向端部处的盘状基座。

在制造期间，可以施加载荷以使磁场组件克服柔性部的变形力相对于机械基准构件移动，以将磁极开口相对于极靴定位，使得形成所需尺寸的间隙。可替换地，可以测量起始间隙并随后移除磁场组件，以便允许在不能通过磁场组件传递的较高的力载荷下进行柔性部的永久调整。装载方式以及磁场组件的移动量可以各种方式完成。本文描述了示例。

在一些实施例中，电枢极靴的预定位置是对中位置，其中所述间隙具有相等的长度。这通常对应于具有零输入电流的马达零点位置的对中位置。在替代实施例中，可能期望特意地包括非零的机械偏移，例如以抵消可能存在于系统中的任何偏置力或其它已知的偏移或者在丢失电输入的情况下提供故障安全状态。

柔性部可与机械基准构件是一体的或机械地分离。一体的柔性部可形成为轴向变形的薄的构件。这些可以是在从机械基准构件去除一部分材料之后的材料的剩余部分，由此形成柔性部的相应的背面凹陷。一体的柔性部还可以包括从薄的凹构件伸出的、环钻而成的按钮状构件，磁场组件抵靠在该按钮状构件上。

在另一实施例中，柔性部可以是如上所述的轴向变形的薄的构件，但是来自将磁场组件夹紧到机械基准构件上的载荷通过附加的、基本上不可变形的部件(例如球形钢球)传递给柔性部，从而消除了加工上述按钮状构件的需要。在该实施例中，机械基准构件的加工以形成柔性部可包括形成用于接收球体并将它们保持就位的凹槽。对于本领域技术人员来说，显而易见的是，在不脱离本发明的教导的情况下，存在可用于将载荷从磁场组件传递给机械基准构件中加工的柔性部的各种形状和材料。

可替换地，柔性部可包括设置在磁场组件和机械基准构件之间的独立的可弹性地变形或塑性地变形的构件。在一个实施例中，可变形构件包括由可变形材料制成的球体。机械基准构件可包括用于接收球体并将它们保持就位的凹槽，尽管在该实施例中没有将柔性部机械加工到机械基准构件中。

附图说明

如图所示，根据本发明的特定实施例的下列描述，前述和其它目的、特征和优点将显而易见，其中相似的附图标记在不同视图中指代相同的部件。

图1是力矩马达的示意图；

图2是力矩马达的正视图；

图3是力矩马达的剖视正视图；

图4是磁场组件的等轴侧视图；

图5是磁场组件的等轴侧视图，其中上极靴被移除；

图6是安装在基座上的电枢的等轴侧视图；

图7是基座的一部分的剖视图，图中示出了可变形的柔性部；

图8是力矩马达的等轴侧视图。

具体实施方式

本公开描述了一种用于在有限转角力矩马达中设定电枢至磁极的空气间隙的机构。如本领域技术人员所知的，力矩马达没有施加电流的初始旋转位置(称为力矩马达的“零点位置”)可能对电枢和磁极的相对位置非常敏感，由于在电枢和磁极之间形成磁吸引力。在零点位置不正确的情况下，必须向力矩马达线圈施加电流(称为“零点电流”)以将马达驱动到正确的位置，并且该电流是用于力矩马达的应用中的典型规格参数。在许多实施例中，所有间隙在理想情况下都是相同的，因此零点位置是在通过线圈的零点电流的情况下实现的。力矩马达的一侧或两侧上的上部间隙和下部间隙的非常小的不对称性可能需要一些更大值的零点电流，该更大值的零点电流可能远远超出应用中的零点需求。因此，需要在力矩马达制造期间精确地设定间隙。在其他实施例中，间隙长度之间可能存在刻意的差异，以便设定非零的零点位置。在这些实施例中，仍然必须精确地调整间隙以提供所需的零点位置。

在现有技术中已用于完成磁零点设定的一些方法包括在磁路部件下使用垫片、在组装马达中对间隙进行放电加工、使用可变形的磁极结构，或在组合期间重新定位(例如通过敲击螺钉夹紧的部件)马达中的磁性部件。这些方法具有固有的缺点。垫片的使用涉及额外的部件和手动过程，该手动过程可能需要多次重复以获得所需要的尺寸。放电加工是一种相对慢的分批式过程，如果要大量制造力矩马达，则可能需要在机械设备上进行大量投资。可变形的电极结构需要非常多变的手动过程，通常需要在非常精细的部件附近的位置施加大的力。重新定位螺钉夹紧的部件通常是手动的、劳动密集的过程。

因此，本公开涉及一种用于精确地调整力矩马达磁极相对于电枢的位置以便获得所希望的零点电流的机构和过程。这可以在没有额外部件的情况下完成。该过程是可以自动化的单个流程(single-piece flow)，这意味着该过程一次适用于单个部件，并且不需要批量部件，因此是经济的。

图1是力矩马达10的示意图。电磁部件包括具有一对永磁体12以及可磁性渗透的北(N)极靴14-N和南(S)极靴14-S的磁场组件；以及可磁性渗透的电枢17，该电枢17在其上缠绕有一对电线圈16。在示出的实施例中，磁体12和极靴14是固定不动的，电枢17安装在扭簧枢轴18上，用于相对于极靴14旋转。旋转轴线是垂直于图1的平面延伸穿过扭簧枢轴18的线。DC放大器20向线圈提供与输入命令e_g成比例的电流。如本领域技术人员所熟知的，线圈可以串联、并联或推挽式结构互连，或者放大器可以根据应用向每个线圈提供独立信号。图1还示出了磁场极靴14的磁极24与电枢17的相应端部之间的间隙22。这些是在操作期间磁场组件和电枢16之间的磁相互作用的区域。未示出与由力矩马达驱动的载荷的机械连接。

图2是力矩马达10的所选取的磁性部件的机械正视图，包括电枢17(端部可见)和磁场组件30，两者都安装在基座32上，该基座32在这里也称为“机械基准构件”。为清楚起见，未示出线圈16。术语“组件”用于参考方便，并且必然表示磁场组件30的部件在与(在下面定义的)电枢组件组装之前，实际上预组装成一体组件。该术语确实反映了磁场组件的部件在如这里所描述的间隙22调整期间作为一个单元一起移动。

电枢17的一个(可见的)端部设置在由极靴14的磁极24限定的相应的磁极开口内。虽然在该视图中不可见，但是在电枢17的另一(径向相反的)端部处存在相同的结构。电枢17安装在薄的管簧40上，以允许在磁场组件30内围绕垂直于图2中的电枢17的长轴线的中心水平轴线进行有限转角的旋转。管簧的底部(不可见)固定地附接到基座32上。管42(仅部分可见)连接到电枢17上，使得电枢绕其轴线的旋转引起管的移位，其提供了到由力矩马达驱动的负载(例如伺服阀中的液压喷射装置)的连接。电枢组件(在图6中通过附图标记45示出)包括电枢17、弹簧40和管42。

磁场组件30的底表面抵靠在基座32的可变形的机械柔性部34上。如下面更详细说明的，柔性部34提供磁场组件30距离基座32的所需要的竖直间距。当电枢17具有相对于基座32建立的机械位置时，磁场组件30的柔性部提供的间距将磁极开口在竖直方向上关于电枢17准确地定位，从而建立间隙22的长度并获得力矩马达10的相应的所需要的机械和电气特性。例如，电枢17可以定位成其端部精确地位于相应的磁极开口的中心，使得间隙22的长度都是相等的，这可以使如上所述的零位电流最小化。

图3以横截面的方式显示了力矩马达10。电枢组件通过压配合、焊接、钎焊或其它众所周知的附接方法固定地安装在基座32上。线圈16示出在电枢17周围的位置中。螺栓44穿过磁场极靴14以将磁场组件固定在基座32上，且下极靴14被推靠在柔性部34上。

图4示出了包括两个永磁体12和两个极靴14的磁场组件30。在制造中，为了在每一侧(用于电枢极靴17的相应端部)上提供基本上相等的磁极开口50，极靴14在极框架(磁体支承表面)上方的高度和磁体12的总高度保持在严格的公差内。作为示例，公差可以在小于0.0005英寸的量级上。因为磁极开口50如此紧密地配合，所以通过调整磁场组件30相对于电枢17的位置来获得所需长度的磁极间隙22，该电枢17粘结在如上所述的力矩马达基座32上。

图5示出了移除了上极靴14的磁场组件30，图中更好地示出了与永磁体12的接触面。

图6示出了附接到基座32上的电枢组件45，其中线圈16和磁场组件30被移除。四个柔性部34在基座32中位于假想矩形的角处的。在替代实施例中，可以使用其它构造。应当理解，沿旋转轴线和穿过旋转轴线具有对称性的构造将是优选的。可以看到柔性部34的顶表面具有围绕向上延伸的按钮状构件64的环钻而成的(trepanned)凹槽60。

图7以横截面的方式示出了柔性部34中的两个。每个柔性部的顶部具有围绕从基座向上延伸的按钮状构件64(磁场组件30的下极靴14抵靠在该按钮状构件64上)的环钻而成的凹槽60，和在底部具有凹入端62的相应凹陷，这导致薄的横截面，该薄的横截面可以偏转以调整力矩马达间隙。该薄的横截面结构提供了所需的轴向刚度和可预测的弹性偏转和塑性偏转。应当理解，该结构可以通过例如金属注射成型或铣削(机械加工)来制造。

参照图4至图7，在组装期间，磁场组件30的下极靴14靠在四个柔性部34上，尤其是靠在按钮状的延伸部64上。凸部60被设计成横跨所有柔性部34的总屈服力(塑性变形载荷)高于由螺栓44(图3)或用于将两个组件固定在一起的其它装置施加的载荷。因此，螺栓44的紧固导致柔性部34(具体地，凸部60在向下方向上的变形)仅在弹性范围内变形。这样，无限地保持机械力的平衡，导致电枢极靴17在磁极开口50内的精确定位。

柔性部的使用和调整：

为了描述的目的，力矩马达的两侧(对应于电枢17的相应端部)称为C1侧和C2侧。此外，描述了采用压力机的实施例，但是应当理解，该描述可以应用产生柔性部所需变形的其它方式。

1.磁极开口50的初始位置高(偏离力矩马达基座32)。柔性部34将(在图中向下)变形以使磁场组件30朝向基座32移动，从而使电枢17在磁极开口50中对中。

2.将限定磁极开口和在该磁极开口中的电枢位置的力矩马达部件(电枢组件45、基座32和磁场组件30)组装在一起，以测量初始间隙。这些部件可以临时组装用于测量，然后拆解用于调整柔性部34。可替换地，部件可以与线圈、紧固件和辅助部件组装在一起，使得不需要拆解。测量偏置位置的间隙22，并计算使电枢极靴17在间隙22中居中所需的位移(例如，使间隙22具有相等的长度)。

3.磁极开口测量可以使用商业上可获得的显微镜装置，或者能够在不干扰电枢17的位置的情况下能够测量到足够精度的任何装置来光学地完成。将电枢17定位在磁极开口50中所需的位移的计算可以自动进行，并且电气地提供所需的位移。在一个实施例中，可以使用压力机。压力操作的位移值的计算要求在计算中考虑压力机的任何顺应性，以及由于柔性部的弹性变形而引起的回弹。可以首先将柔性部34按压到表征各挠曲特性(由于制造公差，其可以是变化的)的塑性变形的点。然后可以使用所测量的值计算最终的压力参数。计算还应考虑被测量的间隙的位置与柔性部之间的任意水平距离。

4.将计算出的最终位移值输入精密压力机。然后，在任意回弹之后，压力机将柔性部塑性地变形到用于磁场组件的正确高度。在一个实施例中，在马达完全组装时，在力矩马达的C1侧和C2侧中的每一个上进行单次压力操作。通常，有利的是，在C1侧和C2侧中的每一个上的单次压力操作中使两个柔性部34变形，尽管可以单独地按压柔性部。

6.然后通过正确的间隙设定组装力矩马达(如果需要的话)。如果对于特定应用需要的话，则可以使用四个力矩马达螺栓40上的力矩对间隙进行微调，同时将夹紧力保持在柔性部的弹性变形范围内。

在结合本公开的教导的力矩马达已经组装并且间隙设定之后，存在许多其它方法用于对力矩马达的零点位置进行微调。例如，本领域技术人员已知的其它机构包括机械弹簧、辅助磁铁、可变形的结构、调整螺钉和许多其它机构。

间隙设定过程的另一实施例利用四个力矩马达螺栓44使柔性部34变形。在该实施例中，柔性部34的屈服应力必须小于力矩马达螺栓40的允许载荷，并且小于来自上极靴14通过磁铁12的允许载荷。在该实施例中，可以在进行调整时光学地实时监测间隙调整过程，或者通过诸如上极靴14上的位置传感器等的机械装置监测间隙调整过程。然后依次紧固力矩马达螺栓，直到获得正确的间隙间隔，然后释放足够的力矩，以使柔性部从塑性偏转范围移动到弹性偏转范围。

在示出的实施例中，柔性部34被加工到基座32中。基座32的顶表面利用环锯加工，并且底表面具有用于每个柔性部34的配合孔，如图7的横截面所示。得到的薄的凹部60的尺寸设计成能提供所需的弹性弹簧刚度和塑性变形力。柔性部的许多替代实施例的设计是可行的。

图8示出了另一类型的实施例的示例，其中将柔性部加工到基座中，该柔性部不包含按钮状的延伸部64。相反，可以包含独立的部件以将载荷从磁场组件的底部传递给基座。在图8的示例中，基座32′以局部剖视图的方式示出。四个可替换的柔性部70加工到基座32′中。这些柔性部包含位于凹槽(well)71的底部处的薄壁，该凹槽设计成保持捕获球72。球72可以是基本上不可压缩的实心球，例如钢轴承球。然后，球72将载荷从下极靴14传递给柔性部70。这种方法的优点是简化柔性部的加工，代价是需要额外的部件。本领域技术人员可以看出，有许多用于独立的载荷传递介质的可行的设计代替在该实施例中的球72，例如具有各种端部构造的圆柱销。

在另一实施例中，也由图8表示，柔性部70可以具有独立的挠曲介质(由球72表示)作为弹性构件。在该实施例中，基本上不可压缩的球材料由能够在载荷下适当塑性变形的材料代替，以提供磁场组件30与基座32′的相应的可调整间距，从而可调整间隙22的间距。在该实施例中，凹槽71不具有如所示的从基座32′的后侧相应的机加工的凹槽，而是在基座下方是实心的，使得可变形的独立的挠曲介质在载荷下压缩而不是基座32′的特征部在载荷下压缩。虽然球示出了一种可行的独立的柔性部的形状，但是本领域技术人员将认识到，对于该实施例，许多形状都是可行的。

虽然已经具体示出和描述了本发明的各种实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在本发明的各种实施例中在形式和细节上进行各种改变。

Claims (17)

1.一种力矩马达，包括：

机械基准构件；

电枢，所述电枢柔性地安装在机械基准构件上，用于绕马达轴线旋转；和

磁场组件，所述磁场组件包括限定磁极开口的磁场极靴，电枢延伸到所述磁极开口中并且到相应的磁场极靴有相应的间隙，磁场组件通过一组可变形的柔性部与机械基准构件间隔开，柔性部变形到足以将磁极开口相对于电枢定位在预定位置处，使得各个间隙具有相应的预定长度，磁场组件被推压至与可变形的柔性部接触并通过一个或更多个紧固件固定到机械基准构件上。

2.根据权利要求1所述的力矩马达，其中，可变形的柔性部在低于其屈服应力的情况下弹性地变形。

3.根据权利要求1所述的力矩马达，其中，可变形的柔性部弹性地变形和塑性地变形。

4.根据权利要求1所述的力矩马达，其中，调整紧固件夹紧力，以改变施加到可变形的柔性部上的载荷，由此对间隙的长度进行调整。

5.根据权利要求1所述的力矩马达，其中，预定位置是对中位置，其中，所述间隙具有相等的长度。

6.根据权利要求1所述的力矩马达，其中，紧固件是延伸穿过磁场组件并进入机械基准构件中的螺栓。

7.根据权利要求1所述的力矩马达，其中，机械基准构件是位于力矩马达的一个轴向端部处的基座。

8.根据权利要求1所述的力矩马达，其中，柔性部与机械基准构件是一体的。

9.根据权利要求8所述的力矩马达，其中，柔性部形成为薄的凹构件，所述薄的凹构件轴向地变形。

10.根据权利要求9所述的力矩马达，其中，薄的凹构件是基座材料在去除了一部分材料之后的剩余部分，由此形成柔性部的相应的背面凹陷。

11.根据权利要求10所述的力矩马达，其中，柔性部包括从薄的凹构件伸出的、环钻而成的按钮状构件，并且磁场组件抵靠在所述按钮状构件上。

12.根据权利要求8所述的力矩马达，其中，通过载荷传递装置将载荷从磁场组件传递到柔性部，所述载荷传递装置与机械基准构件不是一体的。

13.如权利要求12所述的力矩马达，其中，载荷传递装置是不可压缩的球。

14.根据权利要求1所述的力矩马达，其中，柔性部包括设置在磁场组件和机械基准构件之间的独立的可变形构件。

15.根据权利要求14所述的力矩马达，其中，可变形构件包括由可弹性变形材料制成的球体。

16.根据权利要求15所述的力矩马达，其中，机械基准构件包括用于接收球体并将这些球体保持就位的凹槽。

17.根据权利要求1所述的力矩马达，其中：

力矩马达具有关于马达轴线对称的整体圆柱形的形状；

所述磁极开口是在磁场组件的径向相反位置处的两个磁极开口中的第一个；并且

电枢具有相应的端部，每一个端部分别位于磁极开口中的相应的一个中。

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