CN110932464B - 磁路对称的高频直动式力马达 - Google Patents

Abstract

磁路对称的高频直动式力马达，包括衔铁部件、轭铁部件、复位弹簧，第一衔铁长边的对角线上各凸出一个方向相反的90°的凸台，第一衔铁的两端各有一个放置永磁体的凹槽；第一衔铁、第二衔铁结构完全相同，反向相互扣合；第二衔铁的一对凸台被磁化成S极端；第一衔铁、第二衔铁夹紧推杆左端，推杆的右端连接复位弹簧部件和伺服比例阀的阀芯。轭铁部件包括轭铁架和控制线圈，轭铁架包括平行设置的两臂，两臂的中部的上端面之间跨设有连接桥路，控制线圈安装在连接桥路中部，两臂端部的相对侧凸出，形成两对上下对称的极靴；控制线圈沿着轭铁架到四个极靴的路径完全对称且相等；衔铁部件安装在轭铁架四个极靴以及轭铁架连接桥路构成的立体空间内部。

Description

磁路对称的高频直动式力马达

技术领域

本发明属于流体传动及控制领域中伺服比例阀用的电-机械转换器，尤其涉及一种磁路对称的高频直动式力马达。

技术背景

电液控制器件中，电-机械转换器是一个关键部件。提高电-机械转换器的频响和带载能力是提高电液伺服阀频响的一个前提。目前在电液控制器件中应用的电-机械转换器主要有永磁力矩马达、动圈式力马达、比例电磁铁和动铁式力马达。

阀用电-机械转换器按照可动件的形式可分为直线位移式和角位移式两种，按可动件结构形式可分为动铁式和动圈式两种，前者可动件是衔铁，后者可动件是控制线圈，动铁式力马达与动圈式力马达相比，尽管价格更贵，但具有体积小、重量轻、输出力大的优点，因此应用日益广泛。

传统的比例电磁铁的功能是将控制放大器输出的电流信号成比例地转换成力或位移，但是由于其体积较大，且只能给伺服比例阀提供单向驱动力，因此伺服比例阀需要采用两个比例电磁铁来实现换向，这又使得伺服比例阀的质量增加，惯性增大，因此响应速度较慢,因而对于需要快速动态响应的使用场合，传统的比例电磁铁并不适用。

为研制新型高频高精度力马达，国内外许多专家学者和机构一直在对此研究，例如，MOOG公司开发了用于D633/D634直动式电液伺服阀的永磁极化式双向线性力马达，采用了单线圈、双永磁体的结构型式，利用线圈控制磁场和径向永磁极化磁场的差动驱动方式，实现力马达双向控制，具有节能、可靠、成本低等性能优势。但是该力马达的惯性环节相对笨重，所以响应也相对缓慢,频响一般都不会很高,而且长期工作还会出现发热的问题。

在此背景下，提出一种新型结构的力马达，改进了轭铁架的形状和控制线圈的布置，使其具有磁路对称、高频响的特点。

发明内容

为了实现用于伺服比例阀的力马达线性方向往复力的输出，使力马达可以输出推力和拉力，本发明提供一种高频响应、磁路对称、双向输出的力马达。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种磁路对称的高频直动式力马达，包括衔铁部件、轭铁部件、复位弹簧部件、前端盖、第一外壳和第二外壳，所述衔铁部件包括第一衔铁和第二衔铁、推杆、第一永磁体和第二永磁体，所述第一衔铁长边的对角线上各凸出一个方向相反的90°的凸台，所述第一衔铁的两端各有一个长方形的凹槽，中间有一个圆弧凹槽，所述第一永磁体、第二永磁体均被径向充磁成N级和S极，所述第一衔铁两端长方形的凹槽内分别与第一永磁体、第二永磁体的N极面贴合，所述第一衔铁及第一衔铁的一对凸台均被第一永磁体、第二永磁体磁化成N极端，所述第一衔铁、第二衔铁结构完全相同，反向相互扣合。所述第二衔铁两端长方形的凹槽内分别与第一永磁体、第二永磁体的S极面贴合，所述第二衔铁及第二衔铁的一对凸台均被第一永磁体、第二永磁体磁化成S极端。所述第一衔铁与第二衔铁安装第一永磁体和第二永磁体后组成一个不完整圆孔，该圆孔用于安装推杆。所述第一衔铁、第二衔铁的组合圆孔夹紧推杆左端两轴肩之间的部分，所述推杆的中间部分安装在第二外壳上的直线轴承内，所述推杆的右端连接复位弹簧部件，所述推杆右端从前端盖露出的部分与伺服比例阀的阀芯直接连接。

所述轭铁部件包括轭铁架和控制线圈，所述轭铁架包括平行设置的第一臂和第二臂，两臂的中部的上端面之间跨设有连接桥路，连接桥路高于第一臂和第二臂所在的平面，所述控制线圈安装在轭铁架中间的连接桥路中部，所述轭铁架的两臂端部的相对侧凸出，形成两对上下对称的极靴。所述控制线圈沿着轭铁架到四个极靴的路径完全对称且相等。所述衔铁部件安装在轭铁架四个极靴以及轭铁架连接桥路构成的立体空间内部，此时第一衔铁的一对凸台分别与轭铁架左端的上极靴、右端的下极靴组成第一工作气隙、第三工作气隙，第二衔铁的一对凸台分别与轭铁架左端的下极靴、右端的上极靴组成第二工作气隙、第四工作气隙，所述第一工作气隙、第二工作气隙、第三工作气隙、第四工作气隙在未通电的情况下，大小完全相等。所述轭铁架安装在第一外壳的方形开口槽内。

进一步，所述复位弹簧部件包括复位弹簧、第一弹簧底座、第二弹簧底座和第二弹簧底座限位环，所述第一弹簧底座安装在第二外壳的左端，所述第二弹簧底座安装在前端盖左端的环形凹槽内，所述第二弹簧底座限位环安装在第二弹簧底座的右端，所述复位弹簧的左端安装在第一弹簧底座，所述复位弹簧的右端安装在第二弹簧底座。所述第一弹簧底座和所述第二弹簧底座除了被第二外壳和前端盖限制，也被推杆在第二外壳部位内的两轴肩限制。所述第一外壳右端开口与所述第二外壳左端密封连接，所述前端盖的左端与所述第二外壳的右端密封连接。

进一步，所述的前端盖、推杆、第一弹簧底座、第二弹簧底座、第一外壳和第二外壳均为不导磁材料制成的非导磁体；所述轭铁、第一衔铁和第二衔铁均为软磁材料制成的导磁体。

本发明的有益效果主要表现在：

1、该高频直动式力马达轭铁架的空间立体对称设计使其结构紧凑，安装合理，磁路对称，因此中间的控制线圈产生的控制磁通在轭铁架中分布均匀，能提供四个工作气隙相同的磁通，保证力马达双向输出相同的力。

2、该高频直动式力马达衔铁部件移动惯量小，结构紧凑，充分利用空间装配永磁体增大极化磁通，实现了一种新型磁路设计，且与轭铁架极靴组成的四个轴向工作气隙的气隙面面积足够大，从而保证轴向输出力大，响应快。

3、该高频直动式力马达的推杆与伺服比例阀的阀芯一侧直接连接，实现了对阀的双向线性控制，动态性能好，响应速度快。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

图2a为本发明的第一衔铁结构示意图。

图2b为本发明的第一衔铁、第一永磁体和第二永磁体装配示意图。

图2c为本发明的第一衔铁、第二衔铁、第一永磁体和第二永磁体装配示意图。

图3为本发明的轭铁结构示意图。

图4a(1)、图4b(1)、图4c(1)、图4d(1)为衔铁部件和轭铁部件的装配示意图，其中：

图4a(2)为图4a(1)的第一工作气隙δ₁放大图；

图4b(2)为图4b(1)的第二工作气隙δ₂放大图；

图4c(2)为图4c(1)的第三工作气隙δ₃放大图；

图4d(2)为图4d(1)的第四工作气隙δ₄放大图。

图5是本发明的工作原理示意图，显示了控制线圈未通电时本发明内部的磁通状况。

图6(1)、图6(2)分别显示了控制线圈在两个通电方向时本发明内部的磁通状况。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述。

参照图1～图6(2)，一种高频直动式力马达，包括衔铁部件、轭铁部件、复位弹簧部件、前端盖8、第一外壳1和第二外壳9，所述衔铁部件包括第一衔铁11和第二衔铁12、推杆7、第一永磁体14和第二永磁体15，所述第一衔铁11长边的对角线上各凸出一个方向相反的90°的凸台，所述第一衔铁11的两端各有一个长方形的凹槽，所述第一永磁体14、第二永磁体15均被径向充磁成N级和S极，所述第一衔铁11两端长方形的凹槽分别与第一永磁体14、第二永磁体15的N极面贴合，所述第一衔铁11的一对凸台被第一永磁体14、第二永磁体15磁化成N极端，所述第一衔铁11的中间部位开有一个圆弧形的槽。所述第一衔铁11、第二衔铁12结构完全相同，反向相互扣合。所述第二衔铁12两端长方形的凹槽分别与第一永磁体14、第二永磁体15的S极面贴合，所述第二衔铁12的一对凸台被第一永磁体14、第二永磁体15磁化成S极端。所述第一衔铁11、第二衔铁12长方形的凹槽内分别贴合第一永磁体14、第二永磁体15后，第一衔铁11的中间部位的圆弧形的槽与第二衔铁12中间部位的圆弧形的槽形成一个非完整的圆孔，所述的非完整的圆孔内夹紧推杆7左端，所述推杆7左端的两个轴肩分别卡在衔铁部件的左右两端，所述推杆7的中间部分安装在与第二外壳8过盈配合的直线轴承10内，所述推杆7的右端安装第一弹簧底座3与第二弹簧底座5，所述推杆7右端从第二弹簧底座限位环6右端凸出部分与伺服比例阀的阀芯直接连接。

所述轭铁部件包括轭铁架2、控制线圈13，所述轭铁架2包括平行设置的第一臂21、第二臂22，两臂的中部的上端面之间跨设有连接桥路23，连接桥路23高于第一臂21和第二臂22所在的平面，所述控制线圈13缠绕在连接桥路23中部，所述轭铁架2的两臂端部的相对侧凸出，形成两对上下对称的极靴。所述控制线圈13在空间中沿着轭铁架2的空间结构到四个极靴的路径完全对称且相等，材料相同，长度相同，所以磁阻也完全相同，因此控制线圈13产生的控制磁通在磁路中分布均匀，到四个极靴轴向工作气隙处的磁通相等，输出相等的力。

所述衔铁部件安装在轭铁架2的四个极靴以及轭铁架2的连接桥路23构成的立体空间内部，如图4所示，此时第一衔铁11的一对凸台分别与轭铁架2的左端的上极靴、右端的下极靴组成第一工作气隙δ₁、第三工作气隙δ₃，第二衔铁12的一对凸台分别与轭铁架2的左端的下极靴、右端的上极靴组成第二工作气隙δ₂、第四工作气隙δ₄，所述第一工作气隙δ₁、第二工作气隙δ₂、第三工作气隙δ₄、第四工作气隙δ₄在未通电的情况下，大小完全相等。所述轭铁架2安装在第一外壳1的方形开口槽内。

所述复位弹簧部件包括复位弹簧4、第一弹簧底座3、第二弹簧底座5和第二弹簧底座限位环6。所述第一弹簧底座3安装在第二外壳9的左端，所述第二弹簧底座5安装在前端盖8左端的环形凹槽内，所述第二弹簧底座限位环6安装在第二弹簧底座5的右端，所述复位弹簧4的左端安装在第一弹簧底座3，所述复位弹簧4的右端安装在第二弹簧底座5，所述第一弹簧底座3和所述第二弹簧底5座除了被第二外壳9和前端盖8限制，也被推杆7在第二外壳9部位内的两轴肩限制。

所述第一外壳1右端开口与所述第二外壳9左端密封连接，所述前端盖8的左端与所述第二外壳9的右端密封连接。

工作原理

如图在4a(1)、如图4b(1)、如图4c(1)、如图4d(1)中第一衔铁11、第二衔铁12分别和轭铁架2形成四段工作气隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄，在控制线圈13未通电流时，工作气隙δ₁、δ₂、δ₃和δ₄大小完全相等。第一永磁体14、第二永磁体15产生的极化磁通在轭铁架和衔铁部件中的分布如图5中所示，其中实线部分表示极化磁通在轭铁架2和第一衔铁11中的磁通分布，其中虚线部分表示极化磁通在第二衔铁12中的磁通分布，控制线圈13产生控制磁通在轭铁架和衔铁部件中的分布图6(1)、图6(2)中实线所示，其中点划线部分表示在第一衔铁11中的磁通分布，其中虚线部分表示在第二衔铁12中的磁通分布。当控制线圈13不通电流的时，在工作气隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄内，只有第一永磁体14、第二永磁体15产生的极化磁通，衔铁部件在轭铁架2中四个极靴组成空间的中间位置，由于极化磁通在工作气隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄内分布量相同，所以第一衔铁11、第二衔铁12所受的磁力吸力相同，此时高频直动式力马达的衔铁部件处于中位，没有力的输出。

令图5所示的衔铁部件所在位置为初始位置，当控制线圈13通入电流方向如图6(1)所示时，电流控制磁通与永磁极化磁通在工作气隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄内相互叠加，其中在工作气隙δ₁、δ₂内电流控制磁通与永磁极化磁通方向相反，磁通强度减弱，电磁吸力减小；在工作气隙δ₃、δ₄内电流控制磁通与永磁极化磁通方向相同，磁通强度增强，电磁吸力增大。此时衔铁部件受到向下的推力，随着力产生的位移逐渐增大，第一弹簧底座3在推杆7轴肩作用下压缩复位弹簧4，复位弹簧4弹力逐渐增大，方向与衔铁推力相反，该推力与复位弹簧4弹力的合力逐渐减小为零，衔铁部件达到新的位置平衡，复位弹簧4处于压缩状态，其中工作气隙δ₁、δ₂的增加量相同，均增加至δ’₁、δ’₂,工作气隙δ₃、δ₄的减小量相同，均减小至δ’₃、δ’₄，此时衔铁部件在如图6(1)所示的位置。当控制线圈13断电时，在此时工作气隙δ’₁、δ’₂、δ’₃、δ’₄内的电流控制磁通消失，衔铁部件所受的推力消失，在复位弹簧4向上的弹力作用下，衔铁部件又回到原来的初始位置，工作气隙δ’₁、δ’₂、δ’₃、δ’₄的大小恢复到δ₁、δ₂、δ₃、δ₄。

当控制线圈13通入电流方向如图6(2)所示时，电流控制磁通与永磁极化磁通在工作气隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄内相互叠加。其中在工作气隙δ₁、δ₂内电流控制磁通与永磁极化磁通方向相同，磁通强度增强，电磁吸力增大；在工作气隙δ₃、δ₄内电流控制磁通与永磁极化磁通方向相反，磁通强度减弱，电磁吸力减小。此时衔铁部件受到向上的推力，随着力产生的位移逐渐增大，第二弹簧底座5在推杆7轴肩作用下压缩复位弹簧4，复位弹簧4弹力逐渐增大，方向与衔铁推力相反，该推力与复位弹簧4弹力的合力逐渐减小为零，衔铁部件又达到新的位置平衡，复位弹簧4处于压缩状态，其中工作气隙δ₁、δ₂的减小量相同，均减小至δ”₁、δ”₂,工作气隙δ₃、δ₄的增加量相同，均增加至δ”₃、δ”₄，此时衔铁部件在如图6(2)所示的位置。当控制线圈13断电时，在此时工作气隙δ”₁、δ”₂、δ”₃、δ”₄内的电流控制磁通消失，衔铁部件所受的推力消失，在复位弹簧4向下的弹力作用下，衔铁部件再一次回到原来的初始位置，工作气隙δ”₁、δ”₃、δ”₂、δ”₄的大小恢复到δ₁、δ₂、δ₃、δ₄。

可以看到，轭铁架的空间结构设计很好地满足了要求，控制线圈到四个极靴的路径完全对称且相等，由于轭铁材料相同，长度相同，所以磁阻也完全相同，因此控制线圈产生的控制磁通在磁路中分布均匀，到四个极靴轴向工作气隙处的磁通相等，无论控制线圈通入电流方向如6(1)亦或是6(2)所示，通入电流大小相同，都能输出相等的力。在电流控制磁通和永磁极化磁通的叠加下，通过改变通电方式，衔铁部件就会双向地完成指定运动，达成力的往复输出，从而实现对阀的高频精确控制。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.磁路对称的高频直动式力马达，其特征在于：包括衔铁部件、轭铁部件、复位弹簧部件、前端盖、第一外壳和第二外壳，所述衔铁部件包括第一衔铁和第二衔铁、推杆、第一永磁体和第二永磁体，所述第一衔铁长边的对角线上各凸出一个方向相反的90°的凸台，所述第一衔铁的两端各有一个长方形的凹槽，中间有一个圆弧凹槽，所述第一永磁体、第二永磁体均被径向充磁成N级和S极，所述第一衔铁两端长方形的凹槽内分别与第一永磁体、第二永磁体的N极面贴合，所述第一衔铁及第一衔铁的一对凸台均被第一永磁体、第二永磁体磁化成N极端，所述第一衔铁、第二衔铁结构完全相同，反向相互扣合；所述第二衔铁两端长方形的凹槽内分别与第一永磁体、第二永磁体的S极面贴合，所述第二衔铁及第二衔铁的一对凸台均被第一永磁体、第二永磁体磁化成S极端；所述第一衔铁与第二衔铁安装第一永磁体和第二永磁体后组成一个不完整圆孔，该圆孔用于安装推杆；所述第一衔铁、第二衔铁的组合圆孔夹紧推杆左端两轴肩之间的部分，所述推杆的中间部分安装在第二外壳上的直线轴承内，所述推杆的右端连接复位弹簧部件，所述推杆右端从前端盖露出的部分与伺服比例阀的阀芯直接连接；

所述轭铁部件包括轭铁架和控制线圈，所述轭铁架包括平行设置的第一臂和第二臂，两臂的中部的上端面之间跨设有连接桥路，连接桥路高于第一臂和第二臂所在的平面，所述控制线圈安装在轭铁架中间的连接桥路中部，所述轭铁架的两臂端部的相对侧凸出，形成两对上下对称的极靴；所述控制线圈沿着轭铁架到四个极靴的路径完全对称且相等；所述衔铁部件安装在轭铁架四个极靴以及轭铁架连接桥路构成的立体空间内部，此时第一衔铁的一对凸台分别与轭铁架左端的上极靴、右端的下极靴组成第一工作气隙、第三工作气隙，第二衔铁的一对凸台分别与轭铁架左端的下极靴、右端的上极靴组成第二工作气隙、第四工作气隙，所述第一工作气隙、第二工作气隙、第三工作气隙、第四工作气隙在未通电的情况下，大小完全相等；所述轭铁架安装在第一外壳的方形开口槽内；

所述复位弹簧部件包括复位弹簧、第一弹簧底座、第二弹簧底座和第二弹簧底座限位环，所述第一弹簧底座安装在第二外壳的左端，所述第二弹簧底座安装在前端盖左端的环形凹槽内，所述第二弹簧底座限位环安装在第二弹簧底座的右端，所述复位弹簧的左端安装在第一弹簧底座，所述复位弹簧的右端安装在第二弹簧底座；所述第一弹簧底座和所述第二弹簧底座除了被第二外壳和前端盖限制，也被推杆在第二外壳部位内的两轴肩限制；所述第一外壳右端开口与所述第二外壳左端密封连接，所述前端盖的左端与所述第二外壳的右端密封连接；

所述的前端盖、推杆、第一弹簧底座、第二弹簧底座、第一外壳和第二外壳均为不导磁材料制成的非导磁体；所述轭铁、第一衔铁和第二衔铁均为软磁材料制成的导磁体。