CN111490658B - 双向旋转式力矩马达 - Google Patents
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Abstract
双向旋转式力矩马达，轭铁内安装有衔铁、输出轴，输出轴连接复位扭簧；轭铁由同轴排列的第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁和第四轭铁组成，每块轭铁环圆周均布轭铁磁极；第一轭铁和第二轭铁之间、以及第三轭铁和第四轭铁之间分别沿交界面各自放置控制线圈，形成控制磁通；第二轭铁和第三轭铁之间放置有隔磁块；衔铁沿周向均布有衔铁磁极，衔铁磁极的端面包括圆弧形的齿面和侧立面，齿面与定子磁极的侧面组成轴向气隙；第一衔铁的侧立面的位置和第二衔铁的侧立面的位置相反，使轴向气隙对称分布在轭铁齿的两侧；第二衔铁的衔铁齿沿和第一衔铁的衔铁齿分别超前或落后轭铁的轭铁齿一个角度。
Description
技术领域
本发明涉及一种双向旋转式力矩马达。
背景技术
转阀是一种利用旋转运动改变阀芯、阀套的相对位置，使转阀内部的流路改变，最终实现流路启闭或换向的换向阀。转阀可以通过手动、机械传动或直接由电机、马达和旋转电磁铁驱动，以实现精确的伺服/比例控制。与滑阀或锥阀相比，转阀具有可靠性高、结构简单、工作频率高、抗油液污染能力强等优点，可广泛应用于高速开关、高速激振、高速换向的液压系统中，尤其当阀芯阀套的节流槽数较多时，单级转阀可以获得比多级滑阀还要大的额定流量。然而在现有的电液伺服/比例控制系统中，转阀的应用却远不如滑阀广泛。细究其原因，一是转阀的节流槽/窗加工较为复杂，二是用来驱动转阀的旋转电磁铁获得比例控制特性比直动式比例电磁铁困难的多，后者通过采用一隔磁环结构，励磁时磁路在隔磁环处分为轴向和径向的两路，合成后可得到比例控制所要求的水平行程-推力特性，虽然导磁套的焊接较为繁琐，但对于大批量自动化生产而言并不是什么大问题，而旋转电磁铁往往要对轭铁齿和衔铁齿形状进行特殊优化设计才能获得较为平坦的力矩-转角特性，这就大大限制了其实际应用。
为了在电液伺服/比例系统中推广和应用转阀，人们在旋转电磁铁的磁路拓扑结构和矩角特性优化上做了大量研究。在喷嘴挡板阀和射流管伺服阀中获得广泛应用的力矩马达，通过对弹性元件的合理设计也可以获得比例的位置控制特性，但由于其磁路基于轴向气隙，难以获得较大的工作角度。美国通用检测公司的Montagu提出的基于径向工作气隙的改进型力矩马达则使得其工作转角范围进一步拓展，且其本身具有正电磁刚度，可以在不外加弹性元件的情况下获得比例位置控制特性。为了获得平坦的矩角特性曲线，日立公司的Fumio将所设计的动磁式力矩马达衔铁上永磁体形状作了特殊设计，其极面沿径向割有凹槽并且填入非导磁材料，以此补偿衔铁旋转时所伴随的转矩脉动。日本denso公司的进藤二郎设计的永磁式力矩马达，由分立永磁体构成的两个磁极以相差半个磁极角的方式非对称布置在转轴的外侧，以此来补偿由多边形磁极外周所造成的转矩脉动，从而获得平稳的力矩-转角特性。浙江大学张光琼等研制的电励磁力矩马达，对定子磁极和衔铁极面的形状进行了特殊设计，通过控制定子磁极靴尖处的磁通饱和程度来改变马达的矩角特性。崔剑等人提出一种基于径向工作气隙的动磁式旋转比例电磁铁，其基于差动磁路且具有正电磁刚度，但结构较为复杂，不利于工业化应用和大规模批量生产。
发明内容
为了克服已有的旋转电磁铁获得水平力矩-转角特性困难、结构复杂且不利于工业化应用和大规模批量生产的缺点，本发明提供一种基于混合式气隙的、具有水平力矩-转角特性的、结构简单的双向旋转式力矩马达。
本发明的基本原理如下：电-机械转换器中常用的工作气隙有径向气隙和轴向气隙两种，径向气隙可以有较大的工作转角，但随着失调角的增加(定衔铁逐渐对齐)，输出力矩会减小，即其矩角特性曲线的斜率为负；而轴向气隙工作范围较窄，但输出力矩随着失调角的增加而增加，即其矩角特性曲线的斜率为正。因此，本发明的工作气隙分为两部分，主要工作气隙为径向气隙，在径向气隙的基础上增加一个轴向气隙。径向气隙和轴向气隙产生的力矩相互调制，经过合理的参数优化就可以获得接近水平的矩角特性曲线，外加复位扭簧后就可以获得比例的位置控制特性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
双向旋转式力矩马达，如图1和图2所示，轭铁的前后侧分别装有前端盖2和后端盖9，轭铁内安装有第一衔铁3和第二衔铁10，第二衔铁3和第二衔铁10上装有输出轴1，输出轴1连接复位扭簧11。所述的轭铁由同轴排列的第一轭铁4、第二轭铁5、第三轭铁7和第四轭铁8组成，每块轭铁环圆周均匀分布N个轭铁齿，轭铁齿形成轭铁磁极41，各轭铁的轭铁齿轴向对齐，有利于增加输出力矩。第一轭铁4和第二轭铁5之间、以及轭铁7和轭铁8之间分别沿交界面开有对称的凹槽，拼合形成环形槽42，环形槽放置控制线圈，形成控制磁通。第二轭铁5和第三轭铁7之间放置有隔磁块6。
第一衔铁3和第二衔铁10同轴拼接，第一衔铁3和第二衔铁10沿周向均匀分布有N个衔铁齿，衔铁齿形成衔铁磁极，每个衔铁磁极的端面包括周向的圆弧形的齿面31和侧立面32，齿面31与轭铁磁极41的径向端面组成径向气隙；侧立面32位于齿面31的端部，侧立面32与轭铁磁极41的侧面组成轴向气隙。第一衔铁3的侧立面32在齿面31的位置和第二衔铁10的侧立面32在齿面31的位置相反，使轴向气隙对称分布在轭铁齿的两侧；为使得电磁铁能够正常工作，需要改变衔铁轴向错齿的方式，即第二衔铁10的衔铁齿需要沿顺时针方向超前轭铁的轭铁齿一个角度，第一衔铁3的衔铁齿则沿顺时针方向落后轭铁的轭铁齿相同的角度。
优选地，第一衔铁3和第二衔铁10采用空心杯结构，减少转动惯量，有利于增加响应速度。
优选地，复位扭簧11包括弹簧111和弹簧盖板112、联轴器113，弹簧盖板112连接后端盖9，弹簧111安装在弹簧盖板112上，联轴器113安装在弹簧111上，输出轴1的后端固接在联轴器113的中心孔内。输出轴1固接在第一衔铁3和第二衔铁10上。当回转式力矩马达顺时针和逆时针转动后，由于力矩马达不具备负弹簧刚度特性，需要外加复位扭簧11使衔铁回到中位。
优选地，第一轭铁4、第二轭铁5、第三轭铁7和第四轭铁8环圆周均匀分布的8个轭铁磁极，每个轭铁磁极相隔45°，第一衔铁3和第二衔铁10沿周向均匀分布有8个衔铁磁极。
优选地，所述前端盖2、隔磁块6、后端盖9和输出轴1用不导磁的金属材料制成，而第一衔铁3、第二衔铁10、第一轭铁4、第二轭铁5、第三轭铁7和第四轭铁8用高导磁率的金属软磁材料制成。
本发明的各轭铁、各衔铁、输出轴的轴心线位于同一直线上，即同轴设置。
本发明的有益效果主要表现在：
1.采用混合式工作气隙获得水平的力矩-转角特性。本发明的工作气隙分为两部分，主要工作气隙为径向气隙，在径向气隙的基础上增加一个轴向气隙。径向气隙和轴向气隙产生的力矩相互调制，经过合理的参数优化就可以获得接近水平的矩角特性曲线，外加复位扭簧后就可以获得比例的位置控制特性。
2.响应速度快、输出力矩大。相比于其他的旋转式比例电磁铁衔铁的圆筒形结构，本发明提供的方案其衔铁为空心杯结构，转动惯量小，有利于获得较高的动态响应速度。采用多磁极结构设计，有利于提升输出力矩。
3.采用双线圈励磁，控制方法更加灵活。相比于单相励磁结构，双线圈励磁虽然增加了驱动电路的复杂性，但实现输出轴的双向旋转时，控制方式更加多样化。
4.结构简单、成本低。相比于其他的旋转式比例电磁铁，本发明提供的方案零部件数量少，且加工、装配均较为容易，制造成本低，有利于工业化的实际应用和大规模批量生产。
附图说明
图1是本发明的示意图；
图2是本发明的装配示意图；
图3是本发明的衔铁结构示意图；
图4是本发明的前端盖结构示意图；
图5是本发明的第一衔铁的结构示意图；
图6是本发明的轭铁结构示意图；
图7是本发明的隔磁块结构示意图；
图8是本发明的后端盖结构示意图；
图9是本发明的第二衔铁的结构示意图；
图10是本发明的复位扭簧的结构示意图；
图11是径向气隙、轴向气隙以及混合气隙的矩角特性曲线示意图；
图12是本发明的工作原理示意图；
图13是本发明的工作原理示意图，左侧控制线圈通入正向单侧电流，右侧控制线圈不通电流；
图14是本发明的工作原理示意图，右侧控制线圈通入正向单侧电流，左侧控制线圈不通电流。
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12，双向旋转式力矩马达，轭铁的前后侧分别装有前端盖2和后端盖9，轭铁内安装有第一衔铁3和第二衔铁10，第一衔铁3和第二衔铁10上装有输出轴1，输出轴1连接复位扭簧11。
本发明的轭铁由第一轭铁4、第二轭铁5、第三轭铁7和第四轭铁8组成，每块轭铁环圆周均匀分布8个轭铁齿，轭铁齿形成轭铁磁极41，每个轭铁磁极41相隔45°，各轭铁的轭铁齿轴向对齐，有利于增加输出力矩。轭铁4和轭铁5之间，以及轭铁7和轭铁8之间分别沿交界面开有对称的凹槽，拼合形成环形槽42，环形槽放置控制线圈，形成控制磁通。第二轭铁5和第三轭铁7之间放置有隔磁块6。
衔铁3和衔铁10沿周向均匀分布有8个衔铁齿，衔铁齿形成衔铁磁极，每个衔铁磁极的端面由两部分组成，第一部分为圆弧环形的齿面31，其与轭铁磁极41的径向端面组成径向气隙。第二部分为侧立面32，其分布在齿面31的端部，与轭铁磁极41的侧面组成轴向气隙。第一衔铁3的矩形面32在齿面31的一端，第二衔铁10的矩形面32在齿面31的另一端，使轴向气隙对称分布在轭铁齿的两侧，为使得电磁铁能够正常工作，需要改变衔铁轴向错齿的方式，即第二衔铁10的衔铁齿需要沿顺时针方向超前轭铁的轭铁齿1/4个齿距角，第一衔铁3的衔铁齿则沿顺时针方向落后轭铁的轭铁齿1/4个齿距角。衔铁采用空心杯结构，减少转动惯量，有利于增加响应速度。
复位扭簧11包括弹簧111和弹簧盖板112、联轴器113，弹簧盖板112连接后端盖9，弹簧111安装在弹簧盖板112上，联轴器113安装在弹簧111上，输出轴1的后端固接在联轴器113的中心孔内。输出轴1固接在第一衔铁3和第二衔铁10上。当回转式力矩马达顺时针和逆时针转动后，由于力矩马达不具备负弹簧刚度特性，需要外加复位扭簧11使衔铁回到中位。
所述前端盖2、后端盖9和输出轴1用不导磁的金属材料制成，而衔铁1、第一轭铁4、第二轭铁5、第三轭铁7和第四轭铁8用高导磁率的金属软磁材料制成。
如图12所示，当控制线圈不通电时，气隙中没有磁通，在复位扭簧11的作用下，第一衔铁3和第二衔铁10处于中位的初始位置。
当左侧控制线圈通入如图13所示的正向单侧电流，右侧控制线圈不通电流时，第一轭铁4与第一衔铁3之间的第一磁极g1和第二轭铁5与第一衔铁3之间的第二磁极g2的工作气隙下产生励磁磁场，第一衔铁3受到电磁力矩的作用逆时针旋转，此时径向气隙和轴向气隙各自产生的力矩相互调制，使得电磁铁获得近乎水平的矩角特性，输出力矩的大小可以通过控制电流的大小调节，配合线性弹簧使用时可以获得与电流成比例的位置控制效果。
当右侧控制线圈通入如图14所示的正向单侧电流，左侧控制线圈不通电流时，第三轭铁7与第二衔铁10之间的第三磁极g3和第四轭铁8与第二衔铁10之间的第四磁极g4工作气隙下产生励磁磁场，第二衔铁10受到电磁力矩作用顺时针旋转，此时径向气隙和轴向气隙各自产生的力矩相互调制，使得电磁铁获得近乎水平的矩角特性，输出力矩的大小可以通过控制电流的大小调节，配合线性弹簧使用时可以获得与电流成比例的位置控制效果。
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.双向旋转式力矩马达，其特征在于：轭铁的前后侧分别装有前端盖（2）和后端盖（9），轭铁内安装有第一衔铁（3）和第二衔铁（10），第一衔铁（3）和第二衔铁（10）上装有输出轴（1），输出轴（1）连接复位扭簧（11）；所述的轭铁由同轴排列的第一轭铁（4）、第二轭铁（5）、第三轭铁（7）和第四轭铁（8）组成，每块轭铁环圆周均匀分布N个轭铁齿，轭铁齿形成轭铁磁极（41），各轭铁的轭铁齿轴向对齐；第一轭铁（4）和第二轭铁（5）之间、以及第三轭铁（7）和第四轭铁（8）之间分别沿交界面开有对称的凹槽，拼合形成环形槽，环形槽放置控制线圈，形成控制磁通；第二轭铁（5）和第三轭铁（7）之间放置有隔磁块（6）；
第一衔铁（3）和第二衔铁（10）同轴拼接，第一衔铁（3）和第二衔铁（10）沿周向均匀分布有N个衔铁齿，衔铁齿形成衔铁磁极，每个衔铁磁极的端面包括圆弧形的齿面（31）和侧立面（32），齿面（31）与轭铁磁极（41）的径向端面组成径向气隙；侧立面（32）位于齿面（31）的端部，与轭铁磁极（41）的侧面组成轴向气隙；第一衔铁（3）的侧立面（32）在齿面（31）的位置和第二衔铁（10）的侧立面（32）在齿面（31）的位置相反，使轴向气隙对称分布在轭铁齿的两侧；第二衔铁（10）的衔铁沿顺时针方向超前轭铁的轭铁齿一个角度，第一衔铁（3）的衔铁齿则沿顺时针方向落后轭铁的轭铁齿相同的角度；
当左侧控制线圈通入正向单侧电流，右侧控制线圈不通电流时，第一轭铁（4）与第一衔铁（3）之间的第一磁极（g1）和第二轭铁（5）与第一衔铁（3）之间的第二磁极（g2）的工作气隙下产生励磁磁场，第一衔铁（3）受到电磁力矩的作用逆时针旋转，此时径向气隙和轴向气隙各自产生的力矩相互调制，使得电磁铁获得水平的矩角特性，输出力矩的大小通过控制电流的大小调节，配合线性弹簧使用时获得与电流成比例的位置控制效果；
当右侧控制线圈通入正向单侧电流，左侧控制线圈不通电流时，第三轭铁（7）与第二衔铁（10）之间的第三磁极（g3）和第四轭铁（8）与第二衔铁（10）之间的第四磁极（g4）工作气隙下产生励磁磁场，第二衔铁（10）受到电磁力矩作用顺时针旋转，此时径向气隙和轴向气隙各自产生的力矩相互调制，使得电磁铁获得水平的矩角特性，输出力矩的大小通过控制电流的大小调节，配合线性弹簧使用时获得与电流成比例的位置控制效果。
2.如权利要求1所述的双向旋转式力矩马达，其特征在于：第一轭铁（4）、第二轭铁（5）、第三轭铁（7）和第四轭铁（8）环圆周均匀分布的8个轭铁磁极，每个定子磁极相隔45°，第一衔铁（3）和第二衔铁（10）沿周向均匀分布有8个衔铁磁极。
3.如权利要求1或2所述的双向旋转式力矩马达，其特征在于：复位扭簧（11）包括弹簧（111）和弹簧盖板（112）、联轴器（113），弹簧盖板（112）连接后端盖（9），弹簧（111）安装在弹簧盖板（112）上，联轴器（113）安装在弹簧（111）上，输出轴（1）的后端固接在联轴器（113）的中心孔内；输出轴（1）固接在第一衔铁（3）和第二衔铁（10）上。
4.如权利要求3所述的双向旋转式力矩马达，其特征在于：第一衔铁（3）和第二衔铁（10）采用空心杯结构。
5.如权利要求4所述的双向旋转式力矩马达，其特征在于：前端盖（2）、隔磁块（6）、后端盖（9）和输出轴（1）用不导磁的金属材料制成，第一衔铁（3）、第二衔铁（10）、第一轭铁（4）、第二轭铁（5）、第三轭铁（7）和第四轭铁（8）用高导磁率的金属软磁材料制成。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 单相永磁力矩马达的力矩转角特性;孟彬 等;机械科学与技术;20180424;第37卷(第4期);全文 * |
| 线圈外置式二维电-机械转换器的设计及数值模拟;孟彬;申屠胜男;林琼;阮健;;机械设计与研究;20171220(第06期);全文 * |
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| Publication number | Publication date |
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