CN114123575B - 一种磁回中装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁回中装置，属于回中领域，包括：同轴且由内向外依次设置的转子和定子；其中：转子包括爪形结构的转子铁心，以及固定于转子铁心内部的环形磁钢；磁钢的充磁方式为轴向充磁；定子包括多个分立的、沿周向分布且由软磁材料制成的模块化定子齿，每个定子齿与磁钢和转子铁心构成磁阻随转子位置变化的磁力线回路；在此基础上，还包括与转子同轴设置且由非铁磁材料制成的结构支部件；并且，定子铁心中的多个定子齿套装于结构支部件内；定子齿优选为“C”形齿。本发明所提供的磁回中装置，能够实现“磁场自屏蔽”，且轻量、小型化、集成度高。

Description

一种磁回中装置

技术领域

本发明属于回中领域，更具体地，涉及一种磁回中装置。

背景技术

回中装置是指能够使在有限范围内工作的装置在停止工作时自动回到零位(即希望工作装置回到的位置)的装置。其类型繁多、应用广泛，传统的回中装置包括凸轮回中机构、回中弹簧等，多应用于阀门、飞机起落架和卫星中，这些回中装置多为机械结构，在使用过程中存在诸多问题。

以回中弹簧为例，其存在使用寿命问题，因而存在后期维修或者更换的麻烦，造成资源浪费；虽然金属弹簧能够在大范围角度上提供线性的回复力——角度特性，但是他们能够工作的角度范围有限，该角度范围通常为25度或更小，超过所设计的角度范围将导致使用寿命大大缩短或者甚至弹簧出现瞬时断裂。

针对机械结构回中装置中所存在的上述问题，研究人员提出了基于磁性结构的回中装置，但是传统的基于磁性结构的回中装置，其回复力——角度特性几乎无法控制，不能提供比回中弹簧更好的回中力矩特性。针对这一问题，You Zhou等人在“Design of ALimited-Angle Torque Motor withMagnetic Zero-Returner for Aviation FuelValve”中，公开了一种磁回中装置，其中包括转子和位于转子外侧的定子，转子表面表贴有磁钢；该磁回中装置具有可以优化的回中力矩特性，有效解决了以上问题，但由于该装置中，没有考虑转子两个端面外的材料，这使得在磁钢径向充磁、产生经过径向与周向的主磁路的情况下，同时存在较大的经过径向与轴向的漏磁通，这限制了该磁回中装置的应用。例如，在将此装置实际配套用于燃油阀门控制的伺服电机时，由于伺服电机工作于150℃高温环境下，受温度的限制，只能使用线性霍尔转角检测装置，并且转角检测装置与磁回中装置沿轴向依次布置，磁回中装置中产生的轴向漏磁会对转角测量装置产生磁场干扰，影响转角检测精度，甚至导致无法进行转角测量。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种磁回中装置，其目的在于，提供一种能够实现“磁场自屏蔽”，且轻量、小型化、集成度高的回中装置。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种磁回中装置，包括：同轴且由内向外依次设置的转子和定子；其中：

转子包括爪形结构的转子铁心，以及固定于转子铁心内部的环形磁钢；磁钢的充磁方式为轴向充磁；

定子包括多个分立的、沿周向分布且由软磁材料制成的模块化定子齿，每个定子齿与磁钢和转子铁心构成磁阻随转子位置变化的磁力线回路。

本发明所提供的磁回中装置，由定子和转子磁钢及转子铁心构成了磁阻随转子位置变化磁力线回路，进而产生随转子位置变化的回中力矩，在该回中力矩的作用下，装置在停止工作时自动回到零位；由于转子铁心为爪形结构，利用磁场总是经过磁阻最小路径的特性，可将位于其内部的磁钢产生的轴向磁场“束缚”住，并引导为爪上的径向磁场与定子构成主磁路，因而几乎消除了装置外部的轴向漏磁，实现“磁场自屏蔽”；由于定子采用分立的、模块化的结构设计，整个回中装置结构简单、质量轻、易加工、便于安装，能够很好地与阀门、飞机起落架等设备集成。总体而言，本发明所提供的磁回中装置，是一种能够实现“磁场自屏蔽”，且轻量、小型化、集成度高的回中装置。

进一步地，本发明提供的磁回中装置，还包括：与转子同轴设置且由非铁磁材料制成的结构支部件；

并且，定子铁心中的多个定子齿套装于结构支部件内。

进一步地，回中零位为定子齿的中心线与磁钢产生的磁极极间重合的位置。

本发明中，由于转子为爪极结构，因而磁极极间位置为相邻两块爪形磁极的中间位置；本发明设置回中零位为定子齿的中心线与磁钢产生的磁极极间重合的位置，可保证零位时同一齿下的磁钢的极性交错分布，从而构造随位置变化增大而增加的回中力矩波形。

进一步地，结构支部件可沿转轴转动；由此可以调整定子齿的位置，以提供能够调整的零位，提高了此回中装置的适用性。

进一步地，配套电机安装时，结构支部件还作为电机的端盖，便于集成于所用机械装置的内部，提高装置整体的可靠性、密闭性。

进一步地，定子齿为“C”形齿，其靠近转子和定子间气隙的一侧设有开孔；由此更易于将定子磁安装于结构支部件上，并保证装置的稳定性。

进一步地，定子齿的两边以及定子齿中开孔的两边相互平行；由此可有效利用铁心，便于轻量化，并适合优化回中力矩特性。

进一步地，记定子齿的两边与定子内圆交点间的弧长为第一弧长，记回中范围的圆弧长度为第二弧长，则第一弧长与第二弧长的比例位于预设范围内；通过定子齿的两边与定子内圆交点间的弧长设置与回中范围的圆弧长度几乎相等(位于预设范围内)，能够控制齿槽转矩的波峰并有效利用，以提供尽可能大的随位置变化增大而增加的齿槽转矩。

进一步地，转子铁心的爪数为偶数，由此可增大磁密。

进一步地，定子齿的数量与转子铁心的爪数相等；充分利用转子产生的每对极的磁场，并且与极性交变的转子磁钢配合，在位置变化、定子齿中的磁通变化时，利用磁阻变化的磁路以及软磁材料的非线性特性，进而产生齿槽转矩以提供回中力矩。

进一步地，各个爪极的极弧系数均相等；由此使得每一个定子齿与磁钢产生的转矩均相同，转子可以沿气隙周向方向产生极性周期交变的励磁磁动势，以增加位置变化时定子铁心中的磁通变化，提供更大的回中力矩。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的磁回中装置，通过定子铁心与极性交错分布的爪极相配合，在位置变化、定子齿中的磁通变化时，利用磁阻变化的磁路以及软磁材料的非线性特性，从而产生齿槽转矩以提供回中力矩；由于回中力矩的产生原理是基于磁场的变化，从而避免了常用的机械回中装置所带来的机械疲劳问题，因而具有更好的经济性；通过将转子设计为爪极结构，转子铁心将位于其内部的磁钢产生的轴向磁场“束缚”住，并引导为爪上的径向磁场与定子构成主磁路，能够有效减小装置外部的轴向漏磁，因而避免了实际应用时与其他磁性装置磁场的相互干扰，是具有“磁场自屏蔽”的磁回中装置；并且定子采用分立的、模块化的结构设计，整个回中装置结构简单、质量轻、易加工、便于安装，能够很好地与阀门、飞机起落架等设备集成。

(2)本发明提供的磁回中装置，可通过调节极对数、定子齿数、齿与磁钢的弧长来调节所需的回中范围；理论上当采用两对极、磁钢极弧系数为1时，可以提供最大±45°的回中范围，采用与极数相等的齿数可最大化力矩，因而以最大化力矩的原则，可以提供的极限回中范围为±180°/(磁钢极数)。

(3)本发明提供的磁回中装置，可通过对定子铁心的材料、定子齿的尺寸进行调节能够得到不同的齿槽转矩波形，因而设计灵活，更能设计成近似于抛物线的力矩特性，相比于回中弹簧线性的回中力矩特性，能够有效减小因各种摩擦力矩而产生的回中零位的死区，进一步提高回中装置的回中性能。

(4)本发明提供的磁回中装置，通过将定子齿设计为“C形”，能够有效利用软磁材料，减小装置的重量，便于安装，可以集成于工作装置的内部，如将电机的端盖设计为包括固定定子铁心的机械部分。

(5)本发明提出了一种磁回中装置，通过齿槽转矩产生的原理，将齿槽转矩为零的磁钢极间正对定子齿中心线的零齿槽转矩点设为回中的零位，且用于固定定子齿的结构支部件可沿转轴转动，通过结构支部件对定子铁心的位置进行调节就能改变回中零位，且不会改变零位两边的回中范围，提高了装置的适用性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的磁回中装置的等轴测图；

图2为图1所示磁回中装置的爆炸视图；

图3为本发明实例提供的回中装置的主磁路的示意图；

图4为本发明实施例提供的磁回中装置的位于某一齿下气隙中磁场轴向分量的仿真图；

图5为本发明实施例提供的回中力矩特性曲线图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1-转子，11-转子铁心，12-磁钢；

2-定子；

3-结构支部件；

4-转轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

为了提供一种能够实现“磁场自屏蔽”，且轻量、小型化、集成度高的回中装置，本发明所提供的磁回中装置，其结构如图1～图2所示，其主磁路如图3所示。如图1～图2所示，本实施例提供的磁回中装置，包括：同轴设置的转子1、定子铁心2及结构支部件3，转子1和定子2沿径向由内向外依次设置；其中：

转子1包括爪形结构的转子铁心11，以及固定于转子铁心11内部的环形磁钢12；磁钢12的充磁方式为轴向充磁；爪形结构的转子铁心11可采用实心钢、SMC等导磁性能好的材料加工而成，用于与磁钢构成径向的爪极磁势，为磁回中装置的磁力线回路提供通路；磁钢12采用高性能永磁材料(如钐钴、钕铁硼等)制成，用于产生持续稳定的磁场；由于转子铁心11被设计为爪形结构，利用“磁场总是偏向于经过磁阻最小路径的特性”，转子铁心将位于其内部的磁钢产生的轴向磁场“束缚住”，并引导为爪上的径向磁场与定子构成主磁路，能够有效减小装置外部的轴向漏磁，因而避免了实际应用时与其他磁性装置磁场的相互干扰，实现了“磁场自屏蔽”；

为了增大磁密，本实施例中，爪形结构的转子铁心11中，爪数为8，构成4对极的转子磁场，即8个极性交错分布的磁场；

转子1可做旋转运动；转子1基于轴向充磁的磁钢在气隙周向方向上产生极性周期性交变的励磁磁动势，形成在气隙中径向的磁路以及输出力矩。

定子2包括多个分立的、沿周向分布且由软磁材料制成的模块化定子齿，每个定子齿与磁钢12和转子铁心11构成磁阻随转子位置变化的磁力线回路；定子齿与极性交变的转子磁钢配合，在位置变化、定子齿中的磁通变化时，利用磁阻变化的磁路以及软磁材料的非线性特性，进而产生齿槽转矩以提供回中力矩；本实施例中，模块化的定子齿的数量与转子铁心11的爪数相同，也为8；

结构支部件3包括固定定子2的定子铁心的机械部分，定子铁心的各定子齿即套装于该机械部分内；结构支部件3由非铁磁材料等导磁性能差的材料制成，导磁性能好的定子齿和周围导磁性能差的结构支部件的机械部分构成了齿槽结构；结构支部件3用于提供磁回中装置的机械支撑、固定并保护内部其他部件。

如图1和图2所示，本实施例中，定子齿为“C”形齿，其靠近转子和定子间气隙的一侧设有开孔，由此更易于将定子磁安装于结构支部件上，并保证装置的稳定性；此外，为了有效利用铁心，便于轻量化，并适合优化回中力矩特性，本实施例中，“C”形定子齿的两边，以及定子齿中开孔的两边相互平行；相应地，为便于固定定子铁心，本实施例中，结构支部件3的形状为圆环柱体挖去定子铁心的形状；

应当说明的是，“C”形齿仅为本示例中定子齿的优选实施方式，不应理解为对本发明的唯一限定，在本发明其他的一些实施例中，也可将定子齿设计为“E”形齿、扇形等其他形状。

本实施例中，回中零位为定子齿的中心线与磁钢12产生的磁极极间重合的位置，因而装置处于零位时，极性交错的磁钢在定子齿中产生最大的磁密，定子齿中的磁密随转子转动角度的增大而减小，从而产生与转子转动方向相反的回中力矩，同时，定子齿使用软磁材料的非线性增大了回中力矩，由此可以构造随位置变化增大而增加的回中力矩波形；由于转子为爪极结构，因而所述磁极极间位置为相邻两块爪形磁极的中间位置；

本实施例中，结构支部件3还可沿转轴4转动，由此可以调整定子齿的位置，以提供能够调整的零位，提高了此回中装置的适用性；该结构支部件3还可配套径式电机安装，具体地，结构支部件3可直接作为电机的端盖，且便于集成于所用机械装置(如阀门、飞机起落架等)的内部，提高装置整体的可靠性、密闭性。

本实施例中，各个爪极的极弧系数均相等，极弧系数具体大小与回中范围和定子铁心齿数有关，本实例中极弧系数取为1，回中范围为±15°；本实施例中磁钢沿气隙周向方向产生极性周期交变的励磁磁动势，以增加位置变化时定子铁心中的磁通变化，提供更大的回中力矩。

本实施例中，记定子齿的两边与定子内圆交点间的弧长为第一弧长，记回中范围的圆弧长度为第二弧长，则第一弧长与第二弧长的比例位于预设范围内；通过定子齿的两边与定子内圆交点间的弧长设置与回中范围的圆弧长度几乎相等(位于预设范围内)，能够控制齿槽转矩的波峰并有效利用，以提供尽可能大的随位置变化增大而增加的齿槽转矩；该预设范围可根据回中装置在实际应用中的精度要求设定。

本实施例所提供的磁回中装置(记为爪极式的磁回中装置)以及“Design of ALimited-Angle Torque Motor withMagnetic Zero-Returner for Aviation FuelValve”中所公开的磁回中装置(记为表贴式的磁回中装置)，在仅转子结构不同，而转子体积、定子等均相同的情况下，位于某一齿下气隙中磁场轴向分量的仿真图如图4所示；由图4可知，采用了爪极结构以后，装置外部的气隙中的磁场轴向分量减小了十倍以上，具体在本实施例中仅为0.03T左右，这说明了本实施例提供的磁回中装置具有了“磁场自屏蔽”效果，其磁场几乎不会对外部其他装置产生影响。

由于阀门等固有阻力力矩的存在，往往会存在回中零位的死区，在回中零位死区内，装置实际回到的位置与预设回中零位之间往往会存在一定的偏差，死区越大，该偏差就越大，而应用较多的回中弹簧由于其应用原理为弹簧的胡克定律，回中力矩特性为线性，其回中零位的死区长度较大；相比于回中弹簧，本实施例提供的磁回中装置，通过对转子1中爪形转子铁心11的极弧系数及厚度、磁钢12的厚度及轴向长度以及定子铁心中“C”形定子齿各细节参数的优化，可以对磁回中装置的回中力矩特性进行优化，图5为本实施例提供的磁回中装置的回中力矩特性曲线图，其中横坐标为转动角度，纵坐标为输出力矩，回中力矩的正负为相较于转动正向的方向，同向即为正；如图5所示，本实施例中，经过优化的回中力矩曲线为抛物线形，相比于原有的机械回中的直线形回中力矩曲线，其减小了回中零位的死区，增加了各位置的回中力矩大小。

总的来说，本实施例提供的磁回中装置，通过利用磁阻变化的磁路以及软磁材料的非线性特性，从而产生齿槽转矩以提供回中力矩，避免了常用的机械回中装置所带来的机械疲劳问题，因而具有更好的经济性；本实施例回中范围可调，采用与极数相等的齿数可最大化力矩，因而以最大化力矩的原则，可以提供的极限回中范围为±180°/(磁钢极数)；可针对输出力矩特性的实际要求进行灵活设计，减小回中零位的死区；本实施例采用的“C”形齿结构利于轻量化可以集成于工作装置的内部，且回中装置的零位可调。

基于此，本实施例提供的上述磁回中装置具有“磁场自屏蔽”效果、更好的回中力矩特性且无机械疲劳问题，可以在阀门控制、飞机起落架等应用中完美代替传统的回中弹簧等机械回中装置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁回中装置，其特征在于，包括：同轴且由内向外依次设置的转子(1)和定子(2)；其中：

所述转子(1)包括爪形结构的转子铁心(11)，以及固定于所述转子铁心(11)内部的环形磁钢(12)；所述磁钢(12)的充磁方式为轴向充磁；

所述定子(2)包括多个分立的、沿周向分布且由软磁材料制成的模块化定子齿，每个定子齿与所述磁钢(12)和所述转子铁心(11)构成磁阻随转子位置变化的磁力线回路。

2.如权利要求1所述的磁回中装置，其特征在于，还包括：与所述转子(1)同轴设置且由非铁磁材料制成的结构支部件(3)；

并且，定子铁心中的多个定子齿套装于所述结构支部件(3)内。

3.如权利要求2所述的磁回中装置，其特征在于，回中零位为定子齿的中心线与磁钢(12)产生的磁极极间重合的位置。

4.如权利要求3所述的磁回中装置，其特征在于，所述结构支部件(3)可沿转轴转动。

5.如权利要求4所述的磁回中装置，其特征在于，配套电机安装时，所述结构支部件(3)还作为电机的端盖。

6.如权利要求2～5任一项所述的磁回中装置，其特征在于，定子齿为“C”形齿，其靠近所述转子(1)和所述定子(2)间气隙的一侧设有开孔。

7.如权利要求6所述的磁回中装置，其特征在于，定子齿的两边以及定子齿中开孔的两边相互平行。

8.如权利要求7所述的磁回中装置，其特征在于，记定子齿的两边与定子内圆交点间的弧长为第一弧长，记回中范围的圆弧长度为第二弧长，则所述第一弧长与所述第二弧长的比例位于预设范围内。

9.如权利要求1～5任一项所述的磁回中装置，其特征在于，所述转子铁心(11)的爪数为偶数，且定子齿的数量与所述转子铁心(11)的爪数相等。

10.如权利要求9所述的磁回中装置，其特征在于，各个爪极的极弧系数均相等。

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