CN113794293B - 双相旋转式比例电磁铁 - Google Patents

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Abstract

双相旋转式比例电磁铁，包括定子，定子的前后侧分别装有前端盖和后端盖，定子内安装有转子，转子上装有输出轴，定子由同轴排列的第一定子、第二定子、第三定子和第四定子组成，每个定子环圆周均匀分布N个定子齿；第一定子和第二定子之间、以及第三定子和第四定子之间分别沿交界面开有对称的凹槽，拼合形成环形槽，环形槽放置隔磁环，隔磁环上缠有控制线圈，形成控制磁通；第二定子和第三定子之间放置有永磁体，形成极化磁通；转子沿周向均匀分布有N个转子齿，转子齿形成转子磁面，每个转子磁面与定子磁面形成工作气隙。本发明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。

Description

双相旋转式比例电磁铁
技术领域
本发明涉及流体传动及控制领域中电液数字阀用的电-机械转换器，尤其涉及双相旋转式比例电磁铁。
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定子齿和转子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转子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，以此补偿转子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面以相差半个磁面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面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，本发明提供一种具有水平力矩-转角特性的、结构简单的双相旋转式比例电磁铁。
本发明的基本原理如下：一般旋转式电-机械转换器在工作过程中随着转子的转动(定转子逐渐对齐)，输出力矩会减小，即其矩角特性曲线的斜率为负。因此，本发明将定子齿的形状进行了特殊设计，将定子齿设计为尖齿形状，通过改变定子齿尖的形状来控制齿尖的磁饱和程度，使得随着转子的旋转，转子齿侧所产生的驱动转子旋转的侧向磁通量保持不变。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。
本发明采用的技术方案是：双相旋转式比例电磁铁，包括定子，定子的前后侧分别装有前端盖和后端盖，定子内安装有转子，转子上装有输出轴，输出轴连接复位扭簧，定子、转子和输出轴的轴心线共线，所述定子由同轴排列的第一定子、第二定子、第三定子和第四定子组成，第一定子、第二定子、第三定子和第四定子环圆周均匀分布N个定子齿；所述定子齿为尖齿结构，定子齿的齿尖向定子的周向顺时针或逆时针延伸，定子齿形成定子磁面；所述第一定子和第二定子之间、以及第三定子和第四定子之间分别沿交界面开有对称的凹槽，所述对称的凹槽拼合形成环形槽，环形槽放置隔磁环，隔磁环上缠有控制线圈，形成控制磁通；第二定子和第三定子之间放置有永磁体，形成极化磁通；
所述转子沿周向均匀分布有N个转子齿，转子齿形成转子磁面，每个转子磁面与定子磁面形成工作气隙；
所述第一定子和第三定子的定子齿轴向对齐，且第一定子与第三定子的定子齿齿尖朝向相同，都为顺时针；第二定子和第四定子的定子齿轴向对齐，且第二定子与第四定子的定子齿齿尖朝向相同，都为逆时针；第一定子与第三定子的定子齿沿顺时针方向落后转子齿一个角度，第二定子与第四定子的定子齿则沿顺时针超前转子齿相同的角度。
优选地，所述复位扭簧包括弹簧、联轴器和弹簧盖板，弹簧盖板连接前端盖，弹簧安装在弹簧盖板上，联轴器安装在弹簧上，输出轴的后端固接在联轴器的中心孔内；输出轴固接在转子上。
优选地，所述第一定子、第二定子、第三定子和第四定子环圆周均匀分布有12个定子磁面，每个定子磁面相隔30°；转子沿周向均匀分布有12个转子磁面，每个转子磁面相隔30°。
优选地，所述转子采用空心杯结构，前端盖、隔磁环、后端盖和输出轴用不导磁的金属材料制成，所述转子、第一定子、第二定子、第三定子和第四定子用高导磁率的金属软磁材料制成。
本发明的有益效果是：
(1)采用特殊的定子齿形状，将定子齿设计为尖齿形状。本发明通过设计定子齿的形状来控制齿尖处的磁饱和程度，使得工作气隙中驱动转子旋转的的侧向磁通保持不变，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)正反向工作时的磁路对称。不管转子是顺时针旋转还是逆时针旋转，都存在一个定子靠近永磁体、一个定子远离永磁体的情况，因此正反转时定子产生的磁阻相同，磁路对称，输出力矩大小相同，保证了比例电磁铁的工作精度。
(3)响应速度快、输出力矩大。相比于其他的旋转式比例电磁铁转子的圆简形结构，本发明提供的方案其转子为空心杯结构，转动惯量小，有利于获得较高的动态响应速度。采用多磁面结构设计，有利于提升输出力矩。
(4)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。
(5)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是本发明的转子结构示意图；
图4是本发明的复位扭簧的结构示意图；
图5是本发明的前端盖结构示意图；
图6是本发明的转子的结构示意图；
图7是本发明的隔磁环结构示意图；
图8是本发明的定子结构示意图；
图9是本发明的后端盖结构示意图；
图10a是本发明的第一定子和转子的装配示意图；
图10b是本发明的第二定子和转子的装配示意图；
图10c是本发明的定子齿与转子齿的分布关系示意图；
图11a是本发明的工作原理示意图，左右两侧线圈均不通电；
图11b是第一定子与转子气隙处的磁路放大图；
图11c是第二定子与转子气隙处的磁路放大图；
图11d是第三定子与转子的气隙处的磁路放大图；
图11e是第四定子与转子的气隙处的磁路放大图；
图12是本发明的工作原理示意图，左侧控制线圈通入正向电流，右侧控制线圈通反向电流；
图13是本发明的工作原理示意图，右侧控制线圈通入正向电流，左侧控制线圈通反向电流。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1～图13，双相旋转式比例电磁铁，定子的前后侧分别装有前端盖3和后端盖11，定子内安装有转子4，转子4上装有输出轴1，输出轴1连接复位扭簧2。
本发明的定子由第一定子6、第二定子7、第三定子9和第四定子10组成，每块定子环圆周均匀分布12个定子齿61，定子齿61为尖齿结构，定子齿的61的齿尖向定子的周向顺时针或逆时针延伸，定子齿形成定子磁面62，每个定子磁面62相隔30°。第一定子6和第三定子9的定子齿轴向对齐，第二定子7和第四定子10的定子齿轴向对齐，有利于增加输出力矩。定子6和定子7之间，以及定子9和定子10之间分别沿交界面开有对称的凹槽，相互反扣拼合形成环形槽63，环形槽放置隔磁环5，隔磁环5上缠有控制线圈，形成控制磁通。第二定子7和第三定子9之间放置有永磁体8，形成极化磁通。
转子4沿周向均匀分布有12个转子齿41，转子齿形成转子磁面42，每个转子磁面与定子磁面形成工作气隙。为使得电磁铁能够双向旋转运动，需要改变定子轴向放置方式和错齿方式。其放置方式为：第一定子6与第三定子9的定子齿齿尖朝向相同，如图10a所示，都为顺时针；第二定子7与第四定子10的定子齿齿尖朝向相同，如图10b所示，都为逆时针。其错齿方式如图10a～10c所示，第一定子与第三定子的定子齿沿顺时针落后转子齿1/4个齿距角，第二定子与第四定子的定子齿则沿顺时针超前转子齿1/4个齿距角，所以可以看到图10c中第一定子6的定子齿61与第三定子9的定子齿在转子齿41的一侧，第二定子7的定子齿与第四定子10的定子齿则在转子齿41的另一侧。
转子4采用空心杯结构，减少转动惯量，有利于增加响应速度。
所述复位扭簧2包括弹簧21、联轴器22和弹簧盖板23，弹簧盖板23连接前端盖3，弹簧21安装在弹簧盖板23上，联轴器22安装在弹簧21上，输出轴1的后端固接在联轴器22的中心孔内.输出轴1固接在转子4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2使转子回到中位。
所述前端盖3、后端盖11和输出轴1用不导磁的金属材料制成，而转子1、第一定子6、第二定子7、第三定子9和第四定子10用高导磁率的金属软磁材料制成。
如图11a所示，当控制线圈不通电时，气隙中只有永磁体8产生的极化磁通，并且在复位扭簧2的作用下，转子4处于中位的初始位置。
图11b～图11e分别为第一定子6、第二定子7、第三定子9和第四定子10的定子齿磁面分别与转子4的转子齿磁面所形成的工作气隙δ1、δ2、δ3和δ4处的磁路放大图，磁通主要由垂直于定子齿磁面与转子齿磁面的正向磁通和定子齿磁面与转子齿侧边之间的侧向磁通所组成。
当左侧控制线圈通入如图12所示的正向电流，右侧控制线圈通反向电流时，第二定子7与转子4之间的工作气隙δ2处和第四定子10与转子4之间的工作气隙δ4处极化磁通与控制磁通相互叠加削弱；第一定子6与转子4之间的工作气隙δ1处和第三定子9与转子4之间的工作气隙δ3处极化磁通与控制磁通相互叠加增强，产生励磁磁场，转子4受到电磁力矩的作用逆时针旋转。随着转子的旋转，转子齿磁面与定子齿磁面的正对面积增加，即转子齿与定子齿逐渐对齐，正向磁通增加；但由于定子齿设计的特殊形状，使得定子齿齿尖处的磁饱和情况随着磁面正对面积增加而逐渐改善，总磁通量增加，最后使得驱动转子运动的侧向磁通量保持不变，使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13所示的正向电流，左侧控制线圈通反向电流时，第一定子6与转子4之间的工作气隙δ1处和第三定子9与转子4之间的工作气隙δ3处极化磁通与控制磁通相互叠加削弱；第二定子7与转子4之间的工作气隙δ2处和第四定子10与转子4之间的工作气隙δ4处极化磁通与控制磁通相互叠加增强，产生励磁磁场，转子4受到电磁力矩的作用顺时针旋转。随着转子的旋转，转子齿磁面与定子齿磁面的正对面积增加，即转子齿与定子齿逐渐对齐，正向磁通增加。但由于定子齿设计的特殊形状，使得定子齿齿尖处的磁饱和情况随着磁面正对面积增加而逐渐改善，总磁通量增加，最后使得侧向磁通量保持不变，使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。
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 (4)

1.双相旋转式比例电磁铁，包括定子，定子的前后侧分别装有前端盖(3)和后端盖(11)，定子内安装有转子(4)，转子(4)上装有输出轴(1)，输出轴(1)连接复位扭簧(2)，定子、转子(4)和输出轴(1)的轴心线共线，其特征在于：所述定子由同轴排列的第一定子(6)、第二定子(7)、第三定子(9)和第四定子(10)组成，第一定子(6)、第二定子(7)、第三定子(9)和第四定子(10)环圆周均匀分布N个定子齿(61)；所述定子齿(61)为尖齿结构，定子齿(61)的齿尖向定子的周向顺时针或逆时针延伸，定子齿(61)形成定子磁面(62)；所述第一定子(6)和第二定子(7)之间、以及第三定子(9)和第四定子(10)之间分别沿交界面开有对称的凹槽，所述对称的凹槽拼合形成环形槽(63)，环形槽(63)放置隔磁环(5)，隔磁环(5)上缠有控制线圈，形成控制磁通；第二定子(7)和第三定子(9)之间放置有永磁体(8)，形成极化磁通；
所述转子(4)沿周向均匀分布有N个转子齿(41)，转子齿形成转子磁面(42)，每个转子磁面(42)与定子磁面(62)形成工作气隙；
所述第一定子(6)和第三定子(9)的定子齿轴向对齐，且第一定子(6)与第三定子(9)的定子齿齿尖朝向相同，都为顺时针；第二定子(7)和第四定子(10)的定子齿轴向对齐，且第二定子(7)与第四定子(10)的定子齿齿尖朝向相同，都为逆时针；第一定子(6)与第三定子(9)的定子齿沿顺时针方向落后转子齿(41)一个角度，第二定子(7)与第四定子(10)的定子齿则沿顺时针超前转子齿相同的角度。
2.如权利要求1所述的双相旋转式比例电磁铁，其特征在于：所述复位扭簧(2)包括弹簧(21)、联轴器(22)和弹簧盖板(23)，弹簧盖板(23)连接前端盖(3)，弹簧(21)安装在弹簧盖板(23)上，联轴器(22)安装在弹簧(21)上，输出轴(1)的后端固接在联轴器(22)的中心孔内；输出轴(1)固接在转子(4)上。
3.如权利要求1或2所述的双相旋转式比例电磁铁，其特征在于：所述第一定子(6)、第二定子(7)、第三定子(9)和第四定子(10)环圆周均匀分布有12个定子磁面，每个定子磁面相隔30°；转子(4)沿周向均匀分布有12个转子磁面，每个转子磁面相隔30°。
4.如权利要求3所述的双相旋转式比例电磁铁，其特征在于：所述转子(4)采用空心杯结构，前端盖(3)、隔磁环(5)、后端盖(11)和输出轴(1)用不导磁的金属材料制成，所述转子(4)、第一定子(6)、第二定子(7)、第三定子(9)和第四定子(10)用高导磁率的金属软磁材料制成。
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