具有水平力矩-转角特性的电励磁式双向旋转电磁铁的制作方法

本发明属于电液伺服/比例控制系统中电液伺服/比例转阀用的电-机械转换器，尤其涉及一种具有水平力矩-转角特性的双向旋转式力矩马达。

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。

技术实现要素：

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、结构简单的双向旋转电磁铁。

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，外加线性弹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：

具有水平力矩-转角特性的电励磁式双向旋转电磁铁，定子的前后侧分别安装在前端盖1和后端盖2上，定子内安装有转子5，转子5上装有输出轴8，输出轴8的两端分别架设在前端盖1和后端盖2上。所述的定子由左定子轭铁7和右定子轭铁3组成，半方框形的左定子轭铁7和右定子轭铁3拼接成方框形，每块定子轭铁的转角处沿角平分线伸出一个定子凸齿，定子凸齿形成定子磁极，左定子轭铁7有第一定子磁极、第二定子磁极，右定子轭铁3有第三定子磁极和第四定子磁极，四个定子磁极相隔90°分布在所述方框形的对角线上，如此使得电磁铁的结构紧凑，同时能够给控制线圈提供更大的绕制空间，以增加控制磁通，从而提升输出力矩。左定子轭铁7和右定子轭铁3中部分别开有对称的缺口，分别绕制第一控制线圈9和第二控制线圈4，形成控制磁通；左、右定子铁轭的上下侧皆开有对称的缺口拼合后绕制第一励磁线圈11和第二励磁线圈6，第一励磁线圈11和第二励磁线圈6通过左、右定子轭铁以及转子5形成偏置磁场。

转子5呈x形，周向对应定子齿位置分布有四个大齿，每个大齿端面由两部分组成，第一部分为圆弧形的齿面51，其与定子磁极的径向端面组成径向气隙。第二部分为矩形面52，位于大齿的齿面的端部，与定子磁极的侧面组成轴向气隙。与同一个定子轭铁的两个定子磁极对应的两个大齿的矩形面52位于齿面51上的相互远离的一端。所述前端盖1和后端盖2和输出轴8用不导磁的金属材料制成，而转子5、左定子轭铁7和右定子轭铁3用高导磁率的金属软磁材料制成。

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，外加线性弹簧后就可以获得比例的位置控制特性。

旋转电磁铁气隙下的磁通由两部分组成，一部分是励磁线圈产生的偏置磁通，另一部分是控制线圈产生的控制磁通，这两个磁通相互调制以实现电磁铁的正常工作。当电磁铁不通电时，其气隙磁通仅取决于励磁线圈的偏置磁通，此时电磁铁四个磁极下的定转子位置关系相同，通过四个工作气隙的磁通相同，转子处于初始的平衡状态。当控制线圈中有电流流过时，其产生的控制磁通和励磁线圈的偏置磁通便相互作用，从而产生输出力矩。力矩的大小可以通过励磁电流和控制电流的大小来调节，力矩的方向也可以通过励磁电流和控制电流的方向来调节，理论上电磁铁的最大工作角度为转子每个环形极面所占的弧度。

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，外加线性弹簧后就可以获得比例的位置控制特性。

2.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。

3.响应速度快。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x型结构，转动惯量小，有利于获得较高的动态响应速度。

4.输出力矩的大小和方向便于控制。永磁体形成的偏置磁通很难从外部调节，控制其磁场极为困难。永磁体在温度过高或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁，降低力矩马达性能。而采用电励磁便于调节偏置磁通，使得偏置磁通和控制磁通调制后得到更好的力矩-转角特性。

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是本发明的端盖结构示意图；

图5是本发明的转子结构示意图；

图6是本发明的转子轴结构示意图；

图7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8是本发明的工作原理示意图；

图9是本发明的工作原理示意图，此时控制线圈通入正向电流；

图10为本发明的工作原理示意图，此时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7，具有水平力矩-转角特性的电励磁式双向旋转电磁铁，定子的前后侧分别安装在前端盖1和后端盖2上，定子内安装有转子5，转子5上装有输出轴8，输出轴8的两端分别架设在前端盖1和后端盖2上。所述的定子由左定子轭铁7和右定子轭铁3组成，半方框形的左定子轭铁7和右定子轭铁3拼接成方框形，每块定子轭铁的转角处沿角平分线伸出一个定子凸齿，定子凸齿形成定子磁极，左定子轭铁7有第一定子磁极、第二定子磁极，右定子轭铁3有第三定子磁极和第四定子磁极，四个定子磁极相隔90°分布在所述方框形的对角线上，如此使得电磁铁的结构紧凑，同时能够给控制线圈提供更大的绕制空间，以增加控制磁通，从而提升输出力矩。左定子轭铁7和右定子轭铁3中部分别开有对称的缺口，分别绕制第一控制线圈9和第二控制线圈4，形成控制磁通；左、右定子铁轭上下侧皆开有对称的缺口拼合后绕制第一励磁线圈11和第二励磁线圈6，第一励磁线圈11和第二励磁线圈6通过左、右定子轭铁以及转子5形成偏置磁场。

转子5呈x形，沿周向对应定子齿位置有四个大齿，每个大齿端面由两部分组成，第一部分为圆弧形齿面51，其与定子磁极组成径向气隙。第二部分为矩形面52，位于大齿环形面的端部，与定子磁极侧面组成轴向气隙。与同一个定子轭铁的两个定子磁极对应的两个大齿的矩形面52位于齿面51上的相互远离的一端。所述前端盖1和后端盖2和输出轴8用不导磁的金属材料制成，而转子5、左定子轭铁7和右定子轭铁3用高导磁率的金属软磁材料制成。

如图8所示，当第一控制线圈9和第二控制线圈4不通电时，其气隙磁通仅取决于励磁线圈的偏置磁通，此时电磁铁四个磁极下的定转子位置关系相同，即定子磁极与各自的转子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，转子5处于中位的初始位置。

当第一控制线圈9和第二控制线圈4同时通入如图9所示的正向电流时，第一磁极g1和第四磁极g4的工作气隙下控制线圈的控制磁场与励磁线圈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和第三磁极g3的工作气隙下控制线圈的控制磁场与励磁线圈的偏置磁场方向相反而相互抵消，气隙磁通减小，转子5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。

当第一控制线圈9和第二控制线圈4同时通入如图10所示的反向电流时，第二磁极g2和第三磁极g3的工作气隙下控制线圈的控制磁场与励磁线圈的偏置磁场方向相同而相互叠加，气隙磁通增大；第一磁极g1和第四磁极g4的工作气隙下控制线圈的控制磁场与励磁线圈的偏置磁场方向相反而相互抵消，气隙磁通减小，转子5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。