CN205595913U - 高性能旋转电磁执行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了高性能旋转电磁执行器。利用定转子或定转子轭本身作为贯通式导磁铁芯或导磁轭，形成“一吸一排”增力型并联励磁通道，工作气隙降为原来的一半，相同励磁安匝下本实用新型电磁力矩可达普通旋转电磁铁的20~30倍以上，长时维持电流仅为普通的5%以下或为零，本身具有长时自保持堵转功能。从根本上解决了现有旋转电磁铁出力小、吸合和维持电流大、体积大、成本高、可靠性差等长期制约工程应用的瓶颈问题，提供了一种结构紧凑、工艺简单、输出扭矩和转动角度大、具有长时自保持功能、控制简单的高性能旋转电磁执行器。本实用新型可广泛应用于通用电磁执行器、电磁操作机构（包括断路器、电磁阀、制动器等）等工业和民用多个领域。

Description

高性能旋转电磁执行器

技术领域

本实用新型属于机电领域，具体涉及一种高性能旋转电磁执行器。

背景技术

电磁铁、接触器作为电磁执行器已经广泛应用于各行各业，主要分为直线直动式和旋转式两种。直线直动式电磁铁因结构简单，功率范围宽，应用范围最为广泛。目前市场上出售的旋转式电磁铁的输出扭矩一般较小，大都在几十毫牛米到几牛米，一般仅能用于小功率应用场合，对于多数大功率应用场合，难以满足使用要求。旋转电磁铁或旋转电磁执行器的现有技术主要有:常规的旋转电磁铁、利用滚珠的轴向磁路电磁旋转装置、磁钢转角电磁铁、拨杆式转角电磁铁、磁阻式转角电磁铁、有限转角电动机、低速大扭矩电机。在这些旋转电磁执行器中，常规电励磁旋转电磁铁，输出力矩较小；利用滚珠的轴向磁路电磁旋转装置靠机械将轴向运动转变成径向运动，转轴轴向颤动较大，可靠性较差；磁钢转角电磁铁工作时需用专门的脉冲电流控制；拨杆式转角电磁铁是利用放置在左、右两个常规直动电磁铁中间的与旋转轴相连的拨杆带动转轴旋转，结构上较为复杂、体积较大、转换环节多、转轴周向颤动和转动惯量较大；磁阻式转角电磁铁是将绕在定子上的单个通电线圈产生的轴向磁场引导到错位配置的动磁极与静磁极之间形成N、S异性磁极进而产生切向分力和切向力矩使转轴旋转，因无永磁的参与，输出扭矩和转角难以有根本性提高；有限转角电动机结构工艺复杂、制作成本较高；由于旋转负载一般仅要求转动几度到几十度，而且是间歇工作制，直接选用低速大扭矩旋转电机充当旋转电磁铁来工作，不仅体积、功率很大，造成“大马拉小车”现象，而且还面临电机长期堵转（零转速）问题，需要变频控制或特殊结构才能维持零转速状态，长时堵转工作电流大，电机及其控制装置复杂，一般只在不得已情况下才采用。此外，在制动器、离合器、电磁阀、接触器、操作机构等长工作行程（大工作气隙）、重载领域作为打开（松开）动力源，为了克服很大的制动弹簧力等重型负载力矩，还存在吸合电流过大（可达维持电流的十几倍甚至数十倍）、振动冲击大、体积大、控制装置复杂、功耗大、成本高等固有缺陷，已成为制约其工程应用的瓶颈问题。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是现有旋转电磁执行器结构复杂，转换环节多，转动角度小，输出功率低，动作和长时维持电流大，体积大，自重大，成本高、控制装置复杂等一系列瓶颈问题。

本实用新型的技术方案是以下述方法实现的：

高性能旋转电磁执行器，包括定子轭、设置在定子轭上的至少一个定子、转子轭、设置在转子轭上的至少一个转子，所述定子轭为圆筒型，所述转子轭为圆柱型或圆筒型，定子固定在定子轭的内缘上并与转子轭间隙设置，转子固定在转子轭的外缘上并与定子轭间隙设置，定子和转子之间为可变间隙设置。

进一步，所述定子或转子由至少一组铁芯组成，或由至少一组外表面开槽、槽内嵌有磁体的铁芯组成，或由至少一组铁芯和至少一组磁体沿径向排列而成，至少一个定子或转子的铁芯上设置至少一个励磁线圈。

进一步，所述定子轭、转子轭为非导磁材料，至少一组励磁线圈或磁体位于定子铁芯或转子铁芯的中部或中部附近或内外圆周表面之间，使定子铁芯和转子铁芯之间形成励磁通路。

进一步，所述定子轭为导磁材料、转子轭为非导磁材料，至少一组励磁线圈或磁体位于定子或转子的铁芯外圆周表面或外圆周表面附近，使定子铁芯、转子铁芯与定子轭之间形成励磁通路。

进一步，所述定子轭为非导磁材料、转子轭为导磁材料，至少一组励磁线圈或磁体位于定子或转子的铁芯内圆周表面或内圆周表面附近，使定子铁芯、转子铁芯与转子轭之间形成励磁通路。

进一步，所述的转子或转子轭与定子或定子轭之间设置复位弹簧装置或复位阻尼装置或限位装置或行程开关或位置传感器。

本实用新型所述的高性能旋转电磁执行器，巧妙运用圆筒内部空间和对称结构的特点，提供一种结构紧凑，工艺简单，成本低廉，体积小，输出扭矩和转动角度大、可靠性高、具有长时自保持堵转功能、高效节能、控制简单等突出优点的高性能旋转电磁执行器，以克服现有技术的不足。

附图说明

图1为本实用新型实施例1结构示意图。

图2~5为本实用新型实施例2结构示意图。

图6~7为本实用新型实施例3结构示意图。

图8~13为本实用新型实施例4结构示意图。

附图中：1定子轭，2转子铁芯，3转子轭，4转子线圈，5定子线圈，6定子铁芯，7磁体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步作出阐述。

实施例1

如图1所示，高性能旋转电磁执行器，包括定子轭、设置在定子轭上的至少一个定子、转子轭、设置在转子轭上的至少一个转子，所述定子轭为圆筒型，所述转子轭为圆柱型或圆筒型，定子固定在定子轭的内缘上并与转子轭间隙设置，转子固定在转子轭的外缘上并与定子轭间隙设置，定子和转子之间为可变间隙设置，定子和转子之间的可变气隙通过转子轭或转轴与定子轭相对转动实现。

转子的外缘与定子轭的内缘、定子的内缘与转子轭的外缘之间为小间隙设置，主要作为安装和装配间隙，一般很小在0.1~0.5mm之间,相对于几十毫米的定子和转子之间的大工作气隙，此装配小间隙可忽略不计。

转子轭和定子轭为非导磁材料，定子和转子为带励磁线圈的铁芯，使定子铁芯和转子铁芯之间形成励磁通路：任意相邻两个定、转子铁芯之间围绕相邻的各一个通电线圈边，相互耦合的两对铁芯齿连同齿间的两个工作气隙构成励磁通路（以下称为“双气隙磁路”或“双气隙结构”），因此，励磁回路除了必经的两个工作气隙外没有别的能量损失。定、转子各励磁线圈的设置和绕向使得大气隙侧相邻两个通电线圈边（若绕向相同应同相位）的励磁磁场相互增强产生吸力和吸引力矩、小气隙侧相邻两个通电线圈边（若绕向相同应反相位）的励磁磁场相互减弱产生排斥力和排斥力矩，形成合力矩使转子和转轴转动，这种“一吸一排”励磁线圈和励磁通路的设置使得相同励磁安匝下本实用新型比普通“吸引式（无排斥力）”结构的力矩可增加50~100%以上。

实施例2

如图2~5所示，高性能旋转电磁执行器，包括定子轭、设置在定子轭上的至少一个定子、转子轭、设置在转子轭上的至少一个转子，所述定子轭为圆筒型，所述转子轭为圆柱型或圆筒型，定子固定在定子轭的内缘上并与转子轭间隙设置，转子固定在转子轭的外缘上并与定子轭间隙设置，定子和转子之间为可变间隙设置，定子和转子之间的可变气隙通过转子轭或转轴与定子轭相对转动实现。转子与定子轭、定子与转子轭之间为小间隙设置。转子轭和定子轭其中一个为导磁材料、另一个为非导磁材料，定子和转子为带励磁线圈的铁芯，使定子铁芯和转子铁芯与导磁的定子轭或转子轭之间形成励磁通路。

以图2为例，一对定子、一对转子对称设置，所述定子轭为导磁材料、转子轭为非导磁材料，至少一组励磁线圈位于定子或转子的铁芯外圆周表面或外圆周表面附近，任意相邻两个定、转子铁芯之间围绕相邻的各一个通电线圈边，相互耦合的一对铁芯齿连同齿间的一个工作气隙与导磁的定子轭构成励磁通路（以下称为“单气隙磁路”或“单气隙结构”），因此，励磁回路除了必经的一个工作气隙外没有别的能量损失，磁阻大为减小。定、转子各励磁线圈的设置和绕向使得大气隙侧相邻两个通电线圈边（若绕向相同应同相位）的励磁磁场相互增强产生吸力和吸引力矩、小气隙侧相邻两个通电线圈边（若绕向相同应反相位）的励磁磁场相互减弱产生排斥力和排斥力矩，形成合力矩使转子和转轴转动，力矩显著增加。经过有限元仿真计算证明，本实用新型这种“单气隙结构”产生的力矩可达本实用新型实施例1中的“双气隙结构”力矩的2~3倍以上。

如图2、4和5所示，励磁线圈位于定子或转子的铁芯外圆周表面，其中，图4为单定子、双转子结构配置，图5为单定子、单转子结构配置（相邻线圈产生排斥力）；如图3所示，一对定子、一对转子对称设置，励磁线圈位于定子或转子的铁芯内圆周表面，为另一种“单气隙结构”，也具有图2类似的大力矩的效果。

实施例3

如图6和7所示，高性能旋转电磁执行器，包括定子轭、设置在定子轭上的至少一个定子、转子轭、设置在转子轭上的至少一个转子，所述定子轭为圆筒型，所述转子轭为圆柱型或圆筒型，定子固定在定子轭的内缘上并与转子轭间隙设置，转子固定在转子轭的外缘上并与定子轭间隙设置，定子和转子之间为可变间隙设置，定子和转子之间的可变气隙通过转子轭或转轴与定子轭相对转动实现。转子与定子轭、定子与转子轭之间为小间隙设置。定子轭为导磁材料、转子轭为非导磁材料，定子或转子铁芯表面开槽、槽内嵌有磁体，至少一个定子或转子的铁芯上设置至少一个励磁线圈，使定子铁芯和转子铁芯与定子轭之间形成励磁通路。这里，磁体的设置一是为了进一步增强励磁磁场和输出力矩，二是为了显著降低长时维持电流。图6中，磁体设置在转子铁芯侧面槽中，作为优化配置磁体的磁化方向沿圆周方向或沿圆周切线方向；图7中，磁体设置在转子铁芯外表面槽中，作为优化配置磁体的磁化方向沿径向。

实施例4

如图8~13所示，高性能旋转电磁执行器，包括定子轭、设置在定子轭上的至少一个定子、转子轭、设置在转子轭上的至少一个转子，所述定子轭为圆筒型，所述转子轭为圆柱型或圆筒型，定子固定在定子轭的内缘上并与转子轭间隙设置，转子固定在转子轭的外缘上并与定子轭间隙设置，定子和转子之间为可变间隙设置，定子和转子之间的可变气隙通过转子轭或转轴与定子轭相对转动实现。转子与定子轭、定子与转子轭之间为小间隙设置。至少一组励磁线圈或磁体位于定子或转子的铁芯内圆周表面或外圆周表面或内外圆周之间，永磁体和铁芯沿径向排列，作为优化配置永磁体的磁化方向为径向。定子轭、转子轭均为非导磁材料，或转子轭和定子轭之中一个为非导磁材料、另一个为导磁材料，定子铁芯和转子铁芯与导磁的转子轭或定子轭之间形成励磁通路。

图8励磁线圈和永磁体分别位于定子、转子的铁芯内圆周表面（靠近转子轭），定子轭为非导磁材料、转子轭为导磁材料；图9励磁线圈和磁体分别位于定子铁芯和转子铁芯的内外圆周之间，定子轭、转子轭为非导磁材料、转子轭为导磁材料；图10励磁线圈和永磁体分别位于定子、转子的铁芯外圆周表面（靠近定子轭），定子轭为导磁材料、转子轭为非导磁材料；图11励磁线圈和磁体分别位于转子铁芯和定子铁芯的内外圆周之间，定子轭、转子轭为非导磁材料、转子轭为导磁材料；图8-图11中的定、转子对称设置，数量相等，图12中的转子为奇数个、定子为偶数个配置（图12中为一个转子、两个定子）；图8-图12中的磁体和铁芯沿径向排列，作为优化配置磁体的磁化方向为径向。

以图10为例，任意相邻定、转子铁芯之间围绕相邻的一个通电线圈边，相互耦合的一对铁芯齿连同齿间的一个工作气隙、磁体和导磁的定子轭构成磁体（永磁）励磁通路；任意一个转子及其相邻的两个定子铁芯之间围绕通电线圈边，相互耦合的两对定转子铁芯齿连同齿间的一个大工作气隙、一个小工作气隙、导磁的定子轭构成通电线圈励磁通路，磁体（永磁）励磁通路和通电线圈励磁通路两者构成并联磁路（以下称为“单气隙磁路”或“单气隙结构”），因此，两个励磁回路除了必经（必须）的一个工作气隙产生磁压降外没有别的能量损失。定、转子各励磁线圈的设置和绕向使得大气隙侧相邻通电线圈励磁场和永磁励磁场相互增强产生吸力和吸引力矩、小气隙侧相邻通电线圈和永磁励磁场相互减弱产生排斥力和排斥力矩，形成合力矩使转子和转轴转动。有限元仿真计算表明，本实用新型这种“永磁+通电线圈+单气隙结构”在相同电励磁安匝下产生的力矩可达本实用新型实施例2中的“通电线圈+单气隙结构”力矩的7~10倍以上，长时维持电流可仅为本实用新型“通电线圈+单气隙结构”的10%以下，而且由于永磁体的存在使其本身具有自保持（堵转）功能，若不作为断电自动返回的安全电磁铁使用也可以不需要维持电流。

如图13所示，在转子上同时设置励磁线圈和磁体，转子励磁线圈位于转子铁芯的内圆周表面（靠近转子轭），其余同图10实施例。该转子励磁线圈可作为吸合线圈用，也可作为反向通电线圈使用，当定转子快速吸合前，断开定子励磁线圈电流，通入转子励磁线圈反向电流，来减少吸合冲击和振动，控制装置简单。

转子上同时设置励磁线圈和磁体，转子励磁线圈也可位于转子铁芯的外圆周表面或转子铁芯中间并与定子励磁线圈和定子铁芯配合设置。相同的原理，也可在定子上同时设置励磁线圈和磁体。

实施例1~4中，为了优化旋转电磁执行器，转子或转子轭与定子或定子轭之间可根据需要设置复位弹簧装置或复位阻尼装置或限位装置或行程开关或位置传感器。

所述的磁体为单块磁体或一组磁体，或由极性相同或不相同的多块磁体组成，如带轭部或不带轭部的halbach磁体阵列。磁体为永磁体、电励磁体、超导磁体等磁性材料，根据具体的需要而定。一般来说，优先采用钕铁硼材料制成的强磁性永磁体。

所述的励磁线圈不但可按照上述实施例沿径向设置在转子或定子的铁芯上（即按右手定则，通电线圈形成的磁通方向沿径向），还可沿圆周向设置在转子或定子的铁芯上（即按右手定则，通电线圈形成的磁通方向沿圆周方向或沿圆周的切向方向）。

另外，根据需要，定子轭外面可以套外壳，或定子轭本身作为外壳使用，外壳上可设置散热和接线盒及其驱动控制等装置；转子轭或转子本身也可以作为转轴使用，转子或转子轭或转轴通过滚动轴承与定子或定子轭或外壳转动设置，定子或定子轭或外壳的轴向两端还可设置端盖；此外，上述定子、转子、定子轭、转子轭也可互换使用，成为外转子旋转电磁执行器。

本实用新型高性能旋转电磁执行器还具有以下的性能优势：

1) 由于相邻转子与定子之间（通电线圈对永磁体或通电线圈对通电线圈）既有吸力又有斥力，使得本实用新型高性能旋转执行器具有更理想的分、合特性。以吸合为例，在吸合的初始阶段，给线圈通入最大的正向电流让其大工作气隙侧相吸引、小工作气隙侧相排斥，所有定转子均如此产生递推和递增效应，从而迅速提高吸合速度、减少吸合时间，当吸合进行到一定阶段时，断开线圈中的正向电流并给其通入反向电流使其原大工作气隙侧相排斥、原工作小气隙侧相吸引，从而降低吸合速度并保证定转子的接触速度在可接受的范围内。即本实用新型旋转执行器可以让吸合的过程中实现先加速再减速，减少了吸合时间、提升了吸合性能，而这是普通旋转电磁铁难以做到的。

2) 因为与相同电磁场作用时，提供相同磁力的永磁体质量比动铁芯质量要小得多，所以本实用新型的运动部件的质量比传统的运动部件的质量和转动惯量要小很多，故其加速、减速性能更好，并且有利于减小线圈中的峰值电流及能耗，同时也有利于减小分、合冲击力。

3) 本实用新型高性能旋转执行器可根据需要设置多个定、转子及相应并联（串联）工作的励磁线圈，与传统旋转执行器相比，冗余性更好（当一个或几个线圈出现故障，剩余线圈仍可继续工作）、可靠性更高、生产成本更低、维护更方便。

综上，本实用新型所述的高性能旋转电磁执行器，巧妙运用圆筒内部空间和对称结构的特点，利用定子、转子本身或定子轭、转子轭本身作为贯通式导磁铁芯或导磁轭，为交、直流或永磁的励磁磁路提供通道，工作气隙降为原来的一半（该气隙的大小对电磁力矩、效率、动态性能等主要指标产生至关重要的影响），“一吸一排”递推设置的励磁线圈磁路和永磁体磁路构成增力型并联通路，永磁体和通电励磁线圈磁势（安匝）在定、转子内部区域，几乎都用于参与机电能量转换，这在普通永磁、电励磁混合励磁的电磁铁或执行器中是难以同时满足的（因为永磁体可等效为通电的空芯线圈，永磁体在直流磁路中可看成开路），因此，相同励磁磁势（安匝）下本实用新型“单气隙”永磁结构的电磁力矩可达到普通旋转电磁铁的20~30倍以上，长时维持电流可仅为普通旋转电磁铁的5%以下，也可以不需要维持电流，本实用新型本身具有断电或通电长时自保持（堵转）功能，转动角度大。从根本上较好解决了现有旋转电磁铁等电磁执行器结构复杂、出力小、体积大、成本高、可靠性差等长期制约工程应用的瓶颈问题，提供了一种结构紧凑、工艺简单、输出扭矩和转动角度大、具有长时自保持功能、控制简单的高性能旋转电磁执行器。本实用新型可广泛应用于通用电磁执行器、电磁操作机构（包括断路器、电磁阀、制动器、离合器等）等工业和民用多个领域。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.高性能旋转电磁执行器，其特征在于，包括定子轭、设置在定子轭上的至少一个定子、转子轭、设置在转子轭上的至少一个转子，所述定子轭为圆筒型，所述转子轭为圆柱型或圆筒型，定子固定在定子轭的内缘上并与转子轭间隙设置，转子固定在转子轭的外缘上并与定子轭间隙设置，定子和转子之间为可变间隙设置。

2.根据权利要求1所述的高性能旋转电磁执行器，其特征在于，所述定子或转子由至少一组铁芯组成，或由至少一组外表面开槽、槽内嵌有磁体的铁芯组成，或由至少一组铁芯和至少一组磁体沿径向排列而成，至少一个定子或转子的铁芯上设置至少一个励磁线圈。

3.根据权利要求2所述的高性能旋转电磁执行器，其特征在于，所述定子轭、转子轭为非导磁材料，至少一组励磁线圈或磁体位于定子铁芯或转子铁芯的中部或中部附近或内外圆周表面之间，使定子铁芯和转子铁芯之间形成励磁通路。

4.根据权利要求2所述的高性能旋转电磁执行器，其特征在于，所述定子轭为导磁材料、转子轭为非导磁材料，至少一组励磁线圈或磁体位于定子或转子的铁芯外圆周表面或外圆周表面附近，使定子铁芯、转子铁芯与定子轭之间形成励磁通路。

5.根据权利要求2所述的高性能旋转电磁执行器，其特征在于，所述定子轭为非导磁材料、转子轭为导磁材料，至少一组励磁线圈或磁体位于定子或转子的铁芯内圆周表面或内圆周表面附近，使定子铁芯、转子铁芯与转子轭之间形成励磁通路。

6.根据权利要求1-5任一项所述的高性能旋转电磁执行器，其特征在于，所述的转子或转子轭与定子或定子轭之间设置复位弹簧装置或复位阻尼装置或限位装置或行程开关或位置传感器。