CN111490660A - 基于混合式气隙的单相旋转式比例电磁铁 - Google Patents

Abstract

一种基于混合气隙的单向旋转电磁铁，定子的前后侧分别安装有前端盖、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；所述的定子由前定子和后定子组成，前定子和后定子环圆周均匀分布N个定子磁极；前定子、后定子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；转子沿径向均匀分布有N个齿状的转子磁极，每个转子磁极端面由两部分组成，第一部分为圆弧环形面，其与定子磁极组成径向气隙；第二部分为矩形面，其位于齿面末端，与定子磁极侧面组成轴向气隙。本发明可以获得接近水平的矩角特性曲线。

Description

基于混合式气隙的单相旋转式比例电磁铁

技术领域

本发明涉及一种旋转式比例电磁铁。

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，对定子磁极和转子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、结构简单的单向旋转电磁铁。

本发明的基本原理如下：旋转式电-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；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：

一种基于混合气隙的单向旋转电磁铁，定子的前后侧分别安装有前端盖1、后端盖5，定子内安装有转子7，转子7上装有输出轴6，输出轴6连接复位扭簧4。所述的定子由前定子2和后定子3组成，前定子2和后定子3环圆周均匀分布N个定子磁极21，有利于增加输出力矩。前定子2、后定子3分别沿交界面开有对称的凹槽，拼合形成环形槽22，环形槽22放置控制线圈8，形成控制磁通。

转子7沿径向均匀分布有N个齿状的转子磁极，每个转子磁极端面由两部分组成，第一部分为圆弧环形面71，其与定子磁极21组成径向气隙。第二部分为矩形面72，其位于齿面末端，与定子磁极21侧面组成轴向气隙。

优选的，复位扭簧4包括弹簧41和弹簧盖板42、联轴器43，弹簧盖板42连接后端盖5，弹簧41安装在弹簧盖板42上，联轴器43安装在弹簧41上，输出轴6的后端固接在联轴器43的中心孔内。输出轴6固接在转子7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弹簧刚度特性，需要外加复位扭簧4使转子7回到中位。

优选地，前定子2和后定子3环圆周均匀分布的8个定子磁极，每个定子磁极相隔45°，转子7沿径向均匀分布有8个齿状的转子磁极。

优选地，转子7采用空心杯结构，减少转动惯量，有利于增加响应速度。所述前端盖2和后端盖5和输出轴6用不导磁的金属材料制成，而转子7和前定子2、后定子3用高导磁率的金属软磁材料制成。

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转子的圆筒形结构，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。采用多磁极结构设计，有利于提升输出力矩。

3.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。

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是本发明的定子结构示意图；

图4是本发明的后端盖结构示意图；

图5是本发明的复位扭簧结构示意图；

图6是本发明的前端盖结构示意图；

图7是本发明的输出轴结构示意图；

图8是本发明的转子结构示意图；

图9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10是本发明的结构原理示意图。

图11是本发明的工作原理示意图，控制线圈通入正向电流。

图12是本发明的工作原理示意图，控制线圈通入反向电流。

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8，一种基于混合气隙的单向旋转电磁铁，定子的前后侧分别安装有前端盖1、后端盖5，定子内安装有转子7，转子7上装有输出轴6，输出轴6连接复位扭簧4。

本发明的定子由前定子2和后定子3组成，每块定子上8个定子磁极21，每个定子磁极21相隔45°均与分布在圆周上，有利于提升输出力矩。前定子2、后定子3分别沿交界面开有对称的凹槽，形成环形槽22，环形槽内放置控制线圈8，形成控制磁通。

所述的转子部件由输出轴6和转子7组成，转子7沿径向均匀分布有8个齿状的转子磁极，每个转子磁极的齿端面由两部分组成，第一部分71为圆弧环形面，其与定子磁极21的径向端面组成径向气隙。第二部分72为矩形面，其位于齿端面末端，与定子磁极21的侧面组成轴向气隙。所述前端盖1、后端盖5和输出轴6用不导磁的金属材料制成，而转子7和前定子2、后定子3用高导磁率的金属软磁材料制成。

所述复位扭簧包括弹簧41和弹簧盖板42、联轴器43，弹簧盖板42连接后端盖5，弹簧41安装在弹簧盖板42上，联轴器43安装在弹簧41上，输出轴6的后端固接在联轴器43的中心孔内。输出轴6固接在转子7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弹簧刚度特性，需要外加复位扭簧4使转子7回到中位。

如图10所示，当控制线圈8不通电时，气隙中没有磁通，在复位扭簧4的作用下，转子7处于中位的初始位置。

当控制线圈8通入如图11、图12所示的电流时，控制线圈8产生控制磁通，转子7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。

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)

1.一种基于混合气隙的单向旋转电磁铁，其特征在于：定子的前后侧分别安装有前端盖(1)、后端盖(5)，定子内安装有转子(7)，转子(7)上装有输出轴(6)，输出轴(6)连接复位扭簧(4)；所述的定子由前定子(2)和后定子(3)组成，前定子(2)和后定子(3)环圆周均匀分布N个定子磁极(21)；前定子(2)、后定子(3)分别沿交界面开有对称的凹槽，拼合形成环形槽(22)，环形槽(22)放置控制线圈(8)，形成控制磁通；

转子(7)沿径向均匀分布有N个齿状的转子磁极，每个转子磁极端面由两部分组成，第一部分为圆弧环形面(71)，其与定子磁极(21)组成径向气隙；第二部分为矩形面(72)，其位于齿面末端，与定子磁极(21)侧面组成轴向气隙。

2.如权利要求1所述的一种基于混合气隙的单向旋转电磁铁，其特征在于：复位扭簧(4)包括弹簧(41)和弹簧盖板(42)、联轴器(43)，弹簧盖板(42)连接后端盖(5)，弹簧(41)安装在弹簧盖板(42)上，联轴器(43)安装在弹簧(41)上，输出轴(6)的后端固接在联轴器(43)的中心孔内。输出轴(6)固接在转子(7)上。

3.如权利要求1或2所述的一种基于混合气隙的单向旋转电磁铁，其特征在于：前定子(2)和后定子(3)环圆周均匀分布的8个定子磁极(21)，每个定子磁极(21)相隔45°，转子(7)沿径向均匀分布有8个齿状的转子磁极。

4.如权利要求3所述的一种基于混合气隙的单向旋转电磁铁，其特征在于：转子(7)采用空心杯结构，；前端盖(2)和后端盖(5)和输出轴(6)用不导磁的金属材料制成，转子(7)和前定子(2)、后定子(3)用高导磁率的金属软磁材料制成。

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