CN111490659A - 基于气隙补偿的对称永磁式单向比例电磁铁 - Google Patents
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Abstract
基于气隙补偿的对称永磁式单向比例电磁铁，定子前后侧分别装有前端盖、后端盖，轭铁环圆周均匀分布N个凸齿，凸齿形成轭铁磁极，各轭铁上的定子磁极形状相同且轴向对齐；第二轭铁和第三轭铁之间放置控制线圈，形成控制磁通；第一轭铁、第二轭铁之间装有第一隔磁块和第一磁钢；第三轭铁和第四轭铁之间装有第二隔磁块和第二磁钢；第一衔铁和第二衔铁沿周向均匀分布有衔铁磁极，衔铁磁极端面包括周向的齿面和侧立面，齿面与轭铁磁极组成径向气隙；侧立面位于在齿面的一端，与定子磁极的侧面组成轴向气隙；第一衔铁和第二衔铁的衔铁磁极的侧立面在齿面上的位置反向，使轴向气隙对称分布在轭铁磁极的两侧。
Description
技术领域
本发明涉及一种比例电磁铁。
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磁钢形状作了特殊设计，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，由分立磁钢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、结构简单的基于气隙补偿的对称永磁式单向比例电磁铁。
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，外加弹簧平衡机构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：
基于气隙补偿的对称永磁式单向比例电磁铁，如图1和图2所示，轭铁前后侧分别装有前端盖2、后端盖12，定子内装有第一衔铁3和第二衔铁13，第一衔铁3和第二衔铁13同轴地装在输出轴1上。所述的定子由轴向顺序排列的第一轭铁4、第二轭铁7、第三轭铁8和第四轭铁10组成，第一轭铁4、第二轭铁7、第三轭铁8和第四轭铁10环圆周均匀分布N个凸齿，凸齿形成轭铁磁极15，第一轭铁4、第二轭铁7、第三轭铁8和第四轭铁10上的定子磁极15形状相同且轴向对齐，有利于增加输出力矩。第二轭铁7和第三轭铁8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14，形成控制磁通。第一轭铁4、第二轭铁7之间装有第一隔磁块5；第三轭铁8和第四轭铁10之间装有第二隔磁块9；第一轭铁4和第二轭铁7之间放置有第一磁钢6，第三轭铁8和第四轭铁10中间放置有第二磁钢11，用于形成偏置磁通。
第一衔铁3和第二衔铁13同轴地拼接，第一衔铁3和第二衔铁13沿周向均匀分布有N个衔铁齿，衔铁齿形成衔铁磁极，衔铁磁极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15的端部组成径向气隙。侧立面32位于在齿面31的一端，侧立面32定子磁极15的侧面组成轴向气隙。第一衔铁3的衔铁磁极的侧立面32位于齿面31的一端，第二衔铁13的衔铁磁极的侧立面32位于齿面31的另一端，使轴向气隙对称分布在轭铁磁极15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13的衔铁齿需要沿顺时针方向超前轭铁的凸齿一个角度，第一衔铁3的衔铁齿则沿顺时针方向落后轭铁的凸齿相同大小的角度。
优选地，衔铁采用空心杯结构，减少转动惯量，有利于增加相应速度。所述前端盖2和后端盖12，输出轴1以及第一隔磁块5和第二隔磁块9用不导磁的金属材料制成，而第一衔铁3、转第二子13、第一轭铁4、第二轭铁7、第三轭铁8和第四轭铁10用高导磁率的金属软磁材料制成。
本发明的所有衔铁部件、轭铁都具有相同的轴心线，并与输出轴1同轴，本发明所述的轴向是指输出轴1的轴心线。
优选地，第一轭铁4、第二轭铁7、第三轭铁8和第四轭铁10环圆周均匀分布8个轭铁磁极15，每个轭铁磁极15相隔45°；第一衔铁3和第二衔铁13沿周向均匀分布有8个衔铁齿。
优选地，第二衔铁13的齿需要沿顺时针方向超前轭铁的凸齿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衔铁凸齿1/4个齿距角。
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，外加弹簧平衡机构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.采用轴向磁路对称结构。相比于非对称轴向磁路结构，无论顺时针还是逆时针旋转，其矩角特性保持对称，保证了比例电磁铁的工作精度。
4.采用单线圈励磁，控制简单。相比于双相励磁结构，单线圈励磁可以有效降低驱动电路的复杂性，控制更加的简单。
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是本发明的输出轴的示意图；
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是本发明的第一轭铁的结构示意图；
图7是本发明的隔磁块结构示意图；
图8是本发明的磁钢结构示意图；
图9是本发明的第二轭铁的结构示意图
图10是本发明的后端盖结构示意图；
图11是本发明的第二衔铁的结构示意图；
图12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13是本发明的工作原理示意图；
图14是本发明的工作原理示意图，控制线圈14通入一个方向的电流；
图15是本发明的工作原理示意图，控制线圈14通入另一个方向的电流。
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11，基于气隙补偿的对称永磁式单向比例电磁铁，轭铁前后侧分别装有前端盖2、后端盖12，轭铁内装有第一衔铁3和第二衔铁13，第一衔铁3和第二衔铁13同轴地装在输出轴1。
轭铁由轴向顺序排列的第一轭铁4、第二轭铁7、第三轭铁8和第四轭铁10组成，每个轭铁环圆周均匀分布8个凸齿，该凸齿形成轭铁磁极15，每个轭铁磁极15相隔45°，第一轭铁4、第二轭铁7、第三轭铁8和第四轭铁10上的轭铁磁极15形状相同且轴向对齐，有利于增加输出力矩。轭铁7和轭铁8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14，形成控制磁通。第一轭铁4、第二轭铁7之间装有第一隔磁块5，第一隔磁块5的内圈设置第一磁钢6；第三轭铁8和第四轭铁10之间装有第二隔磁块9，第二隔磁块9内圈设置第二磁钢11，用于形成偏置磁通。
第一衔铁3和第二衔铁13同轴地拼接，第一衔铁3和第二衔铁13沿径向均匀分布有8个衔铁齿，衔铁齿形成衔铁磁极，每个衔铁磁极的端面包括为圆弧形的齿面31和侧立面32，齿面31与定子磁极15的端面组成径向气隙；侧立面32位于齿面31的一端，侧立面32与定子磁极15的侧面组成轴向气隙。第一衔铁3的衔铁磁极的侧立面32位于齿面31的一端，第二衔铁13的衔铁磁极的侧立面32位于齿面31的另一端，使轴向气隙对称分布在轭铁磁极的两侧。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13的衔铁齿需要沿顺时针方向超前轭铁齿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，有利于增加相应速度。所述前端盖2和后端盖12，输出轴1以及隔磁块5和隔磁块9用不导磁的金属材料制成，而第一衔铁3、第二衔铁13、第一轭铁4、第二轭铁7、第三轭铁8和第四轭铁10用高导磁率的金属软磁材料制成。
如图13所示，当控制线圈14不通电时，其气隙磁通仅取决于磁钢的偏置磁通，此时电磁铁各个磁极下的定衔铁位置关系相同，即轭铁磁极与各自的衔铁齿错开角度相同的圆弧面，四个磁极中的径向气隙和轴向气隙大小相同，第一衔铁3和第二衔铁13处于中位的初始位置。
当控制线圈14同时通入如图14所示的正向电流时，第一磁极g1和第四磁极g4不受控制线圈励磁磁场的影响，气隙磁通保持不变。第二磁极g2的工作气隙下控制线圈的励磁磁场与磁钢的偏置磁场方向相同而相互叠加，气隙磁通增大；第三磁极g3的工作气隙下控制线圈的励磁磁场与磁钢的偏置磁场方向相反而相互抵消，气隙磁通减小，第三衔铁g3受到电磁力矩作用逆时针旋转，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。
当控制线圈14通入如图15所示的反向电流时，第一磁极g1和第四磁极g4不受控制线圈励磁磁场的影响，气隙磁通保持不变。第三磁极g3的工作气隙下控制线圈的励磁磁场与磁钢的偏置磁场方向相同而相互叠加，气隙磁通增大；第二磁极g2的工作气隙下控制线圈的励磁磁场与磁钢的偏置磁场方向相反而相互抵消，气隙磁通减小，第二衔铁13受到电磁力矩的作用顺时针旋转，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。
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.基于气隙补偿的对称永磁式单向比例电磁铁，其特征在于：定子前后侧分别装有前端盖(2)、后端盖(12)，定子内装有第一衔铁(3)和第二衔铁(13)，第一衔铁(3)和第二衔铁(13)同轴地装在输出轴(1)上；所述的定子由轴向顺序排列的第一轭铁(4)、第二轭铁(7)、第三轭铁(8)和第四轭铁(10)组成，第一轭铁(4)、第二轭铁(7)、第三轭铁(8)和第四轭铁(10)环圆周均匀分布N个凸齿，凸齿形成轭铁磁极(15)，第一轭铁(4)、第二轭铁(7)、第三轭铁(8)和第四轭铁(10)上的轭铁磁极(15)形状相同且轴向对齐；第二轭铁(7)和第三轭铁(8)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(14)，形成控制磁通；第一轭铁(4)、第二轭铁(7)之间装有第一隔磁块(5)；第三轭铁(8)和第四轭铁(10)之间装有第二隔磁块(9)；第一轭铁(4)和第二轭铁(7)之间放置有第一永磁体(6)，第三轭铁(8)和第四轭铁(10)中间放置有第二永磁体(11)，用于形成偏置磁通。
第一衔铁(3)和第二衔铁(13)同轴地拼接，第一衔铁(3)和第二衔铁(13)沿周向均匀分布有N个齿，齿形成衔铁磁极，衔铁磁极端面包括圆弧形的周向齿面(31)和侧立面(32)，齿面(31)与定子磁极(15)的端部组成径向气隙；侧立面(32)位于在齿面(31)的一端，与定子磁极(15)的侧面组成轴向气隙；第一衔铁(3)的衔铁磁极的侧立(32)位于齿面(31)的一端，第二衔铁(13)的衔铁磁极的侧立面(32)位于齿面(31)的另一端，使轴向气隙对称分布在定子磁极(15)的两侧；第二衔铁(13)的衔铁齿沿顺时针方向超前轭铁的凸齿一个角度，第一衔铁(3)的衔铁齿则沿顺时针方向落后轭铁的凸齿相同大小的角度。
2.如权利要求1所述的基于气隙补偿的对称永磁式单向比例电磁铁，其特征在于：衔铁采用空心杯结构；所述前端盖(2)和后端盖(12)、输出轴(1)以及第一隔磁块(5)和第二隔磁块(9)用不导磁的金属材料制成，而第一衔铁(3)、第二衔铁(13)、第一轭铁(4)、第二轭铁(7)、第三轭铁(8)和第四轭铁(10)用高导磁率的金属软磁材料制成。
3.如权利要求1或2所述的基于气隙补偿的对称永磁式单向比例电磁铁，其特征在于：第一轭铁(4)、第二轭铁(7)、第三轭铁(8)和第四轭铁(10)环圆周均匀分布8个轭铁磁极(15)，每个轭铁磁极(15)相隔45°；第一衔铁(3)和第二衔铁(13)沿周向均匀分布有8个衔铁齿。
4.如权利要求3所述的基于气隙补偿的对称永磁式单向比例电磁铁，其特征在于：第二衔铁(13)的衔铁齿沿顺时针方向超前轭铁的凸齿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凸齿1/4个齿距角。
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| CN107896045A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-04-10 | 浙江工业大学 | 磁极开齿式力矩马达 |
| CN209709911U (zh) * | 2019-01-25 | 2019-11-29 | 浙江工业大学 | 基于气隙补偿的对称永磁式单向比例电磁铁 |
| CN111490658A (zh) * | 2019-01-25 | 2020-08-04 | 浙江工业大学 | 双向旋转式力矩马达 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111490657A (zh) * | 2019-01-25 | 2020-08-04 | 浙江工业大学 | 双向电-机械转换器 |
| CN111490658A (zh) * | 2019-01-25 | 2020-08-04 | 浙江工业大学 | 双向旋转式力矩马达 |
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| CN111490658B (zh) * | 2019-01-25 | 2024-06-11 | 浙江工业大学 | 双向旋转式力矩马达 |
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