专利名称：极靴紧接合的新型摆动电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及有限转角摆动电机，尤其涉及极靴紧接合的新型结构的有限转角摆动电机。
目前传统设计的摆动电机，其定子的两个极靴都设计成分开的有一定的距离间隔，转子在这两个分开的极靴之间摆动。在两极靴间隔的中心位置设定为摆动中心，这摆动中心作为转子的初始位置。为使转子稳定地定位在摆动中心，就必须存在恢复力矩。这种力矩可以是机械的弹性元件产生的扭力矩或者是电磁性的磁力矩。当电机磁路内定子绕组中注入电流，在极靴内产生的驱动磁通量就和预置磁通量叠加，使磁通分布发生变化。转子受磁力矩的作用转向磁通密度大的方向，即偏离中心位置直到此偏置的磁力矩与弹性元件的扭转恢复力矩达到平衡。转子偏置的方向和大小对应于注入绕组的电流的方向和大小。一般地，转子的摆动以摆动中心为起始位置，摆幅限制在两个极靴的范围内。如果注入绕组的电流强度是恒定的，转子则偏置至对应的某一角位置上。如果注入适当的交变信号，转子就在某一角度范围内往复摆动。
下面对现有技术中比较典型的摆动电机(
图1a和1b)，即有弹性元件扭力矩支持的电机的磁路原理作一简要描述。
图1a中，一对定子b和b′，每一定子有一对分开一定间距的极靴jk和j′k′，和定子绕组d和d′；在两个定子间并联地装有一对永磁体a和a′，因此，极靴j和k是同极性的，极性j′和k′也是同极性的，但与jk极性相反。转子c在极靴构成的同心圈内转动，极靴的圆弧面与转子的圆弧面，有间距甚小的气隙，其摆动中心在极靴jk和j′k′的中间位置上，有弹性元件(图中未示出)将转子支持在摆动中心。
从图1可以看出，永磁体a和a′的磁通量为预置磁通量，并联地经过转子c两端的气隙形成回路。即a的预置磁通是从N极出发，经过定子b的极靴j和气隙进入转子c，再经过气隙和定子b′的极靴j′回到S极，和a′的预置磁通是从N极出发，经过定子b的极靴k和气隙进入转子c，再经过气隙和定子b′的极靴k′回到S极。
如果绕组d和d′中并联地注入电流，产生的驱动磁通量就和预置磁通量叠加，使气隙中磁通分布发生变化。具体地，极靴j与转子c之间的气隙处的磁通和极靴k′与转子c之间的气隙处的磁通增强，而极靴j与转子c之间的气隙处的磁通和极靴k与转子c之间的气隙处的磁通减弱。转子受磁力矩作用转向磁通密度大的方向，即从jk与j′k′的中心位置转向j和k′的方向。
如果有弹性元件支持，转子偏离中心位置直到与弹性元件的扭转恢复力矩相平衡。但如果没有弹性元件的支持转子很容易进入图1b所示的情况。从图1b可以看出，此时转子偏转至极靴的极限位置，转子的圆弧面正对着定子极靴的圆弧面，是系统能量最小的配置。在这种极限位置情况下，转子陷入深磁势能谷，处于稳定平衡状态，于是转子就不能根据绕组中注入的电流信号作相应摆动，因而无法正常工作。可见，对于极靴之间有一定间距的传统摆动电极，弹性元件所提供的扭力矩是必不可少的。
另外，弹性元件提供恢复力矩还有一固有的特征。这类摆动电机属于力学的二阶振动系统，其自谐振频率为
其中J是转子及其负载的转动惯量，k是弹性元件的扭转弹性常数。当绕组中注入信号的频率与自谐振频率f十分接近时，转子的摆幅就会极大，会远远超出极靴极限范围，就必然导致弹性元件的损坏。为消除这一现象，这种摆动电机常在闭环控制电路，即附有角位置传感器的条件下工作。
定子极靴间分开的摆动电机还有一更明显的缺点，就是为使电机的转子较长时间保持在某一较大的角位置上，就必须在绕组中维持对应的较大的恒定电流，以产生偏转磁力矩来和恢复力矩平衡，此时绕组中必然有较高的温升和较大的功率消耗。
本实用新型改变了现有技术对摆动电机设计的传统结构，将分开有一定间距的定子极靴紧接合起来。在这种结构设计中，一对永磁体并联地安置在两个定子之间，紧接合的一对两极靴有相同极性，另一对紧接合的两极靴有相同的另一极性。因此，永磁体产生的预置磁通量，经过一端极靴和转子间气隙，通过转子，再经过另一端气隙返回永磁体。在这样的结构中永磁体产生预置磁通是从紧接合的极靴对j和k通过转子c流向另一极靴的j′和k′。转子在极靴对的区间内，定子和转子间气隙内的磁力场是均匀对称地沿定子和转子间圆弧面分布，且基本垂直于圆弧面，其合力径向地通过转子的轴心，因此可以近似地认为使转子偏转的力矩接近为零。对于这种结构设计也不存在将转子束缚在极靴的低磁势能谷的稳态的情况，在极靴对固定的区间内，转子可以停留在任意位置上。因此，这种结构的摆动电机可不设置摆动中心，免除了产生必须的恢复力矩的弹性元件或电磁元件；同时由于不必在绕组中维持较大的恒定电流(以平衡恢复力矩)也大大降低了电机的功率消耗。
为此，本实用新型提供一种有限转角摆动电机，包括由高导磁合金材料制成的一对定子；在一对定子内各设有一控制线圈绕组；在一对定子之间并联安装一对永磁体；在定子的极靴对内可转动地设置一由高导磁合金材料制成的转子；在转子的两端有轴承支持，上端轴伸联接负载和下端轴伸装有角位置传感器，此位置传感器使电机在闭环控制电路中工作；其特征在于该电机定子的极靴相互紧配合，使其接合部形成一有限的磁阻。
其中，定子极靴的紧接合是通过两极靴间仅有几微米至十几微米的间隙实现的；也可以在两极靴间嵌入适当尺寸和形状的高导磁材料，以设置两个或以上间隙实现的。
本实用新型还包括具有上述特征的新型摆动电机的另一种变体，即其中永磁体的位置和定子绕组的位置相互替换。这种变体同样可以实现本发明的目的。
附图的简要说明图1a是现有技术使用弹性元件以产生扭力矩的摆动电机结构的横向剖面示意图。
图1b是图1a所示电机的转子陷入深磁势能谷的磁路分布示意图。
图2a是本实用新型的摆动电机结构纵向剖面示意图。
图2b是图2a的横向剖面示意图。
图2c是图2b所示电机转子偏置到极靴极限位置的磁通量回路示意图。
图3a是图2所示电机的一个变种-永磁体和绕组的位置互换的结构示意图。
图3b是图3b所示电机转子偏转到极靴极限位置的磁通回路示意图。
以下结合附图的图2-3详细说明本实用新型。
参照图2a，转子c是由高导磁软铁材料制成，两端有轴承e和e′支持，h为转子的轴伸端用以联接负载，定子b及b′由高导磁材料叠片组成，其上有驱动线圈绕组d和d′，转子c的下端附有角位置传感器。
参见图2b，定子b的极靴j和k是紧接合的，定子b′的极靴j′和k′同样是紧接合的，其间隙o和o′为几微米-十几微米；(也可以通过在极靴间嵌入适当尺寸和形状的高导磁软铁材料，以形成两处紧接合间隙O-O1和O′-O1′)。永磁体a和a′并联地安装在两定子间，磁通量从永磁体N极出发，同向并联地经过一端的定子极靴和转子间的气隙再通过转子，然后再经过另一端的气隙返回到永磁体的S极构成回路。极靴中j和k有相同的极性，极靴j′和k′为相同的另一极性，并且气隙中的磁力线基本垂直于转子的圆弧形端面。
从上磁路分析可知，在摆动电机工作时，定子的两端极靴上存在着两方面磁场的叠加。其一是对转子是并联的永磁体的预置磁通量经过极靴，使定子b的极靴对j和k有相同极性，使另一定子b′的极靴对j′和k′有彼此相同但与j和k相反的磁极性。其二是两定子的绕组注入同向驱动电流产生的驱动磁通量，使在定子b的极靴间隙o的磁阻的两端j和k产生不同的磁极性，在定子b′的极靴间隙o′的磁阻两端j′和k′产生同样是不同的磁极性，但由于驱动电流是同向注入的，所以极靴j和极靴j′有相同的磁极性，而极靴k和k′有相同的另一磁性。由此可见，预置磁通量和驱动磁通量在磁路内叠加的结果，是使某一对角线上的一对极靴(如i-k′)上的磁场由于极性相同的叠加而增强，而使另一对角线上的一对极靴(如j′-k)上的磁场由于极性相反的抵消而减弱。这样就在一对角线上形成一对极性相反而磁场增强的极靴，而另一对角线上形成一对极性相反而磁场减弱的极靴。因而转子的两端向磁场增强的方向偏转。
本实用新型的摆动电极必需在闭环控制电路的条件下工作，即摆动电机的转子附有角位置传感器，它在转子处于某一角位置θ时可输出与之对应的电压ET＝Kθ，K是传感器灵敏度常数，输出电压是零的角位置定义为θ＝0，它选在极靴接合部的间隙处。注入绕组的电流可以两种输入信号的方式工作。
a)如果输入信号Ei为直流电压，放大器A输出的驱动电流使转子偏转，位置传感器即有相应的电压ET输出。当ET≠Ei，Ei-ET＝ΔE≠0，放大器A有相应的驱动电流i继续输入定子绕组，使转子继续偏转，直到ET＝Ei，Ei-ET＝ΔE＝0时为止。此时注入绕组中的电流i＝0，转子被锁停在相应的某角位置上，以θ角度和输入的直流电压Ei对应。因为在所设计的磁路中，转子在定子极靴对的区间内，处处有磁力矩T＝0，因此转子停留在偏转角θ时不需要维持电流即在绕组中i＝0。也就是在Ei的作用下，转子保持对应的某一θ角静止时，定子的绕组的功率损耗为零。
b)若输入信号Ei是变化的，(在可以响应的频率范围内)角位置传感器的输出电压ET将跟随Ei，但此时ET≠Ei，ΔE≠0，放大器A有输出电流i注入绕组，使转子偏转，其偏转的运动状态就跟随着变化的输入信号Ei。由于同样的理由，转子在偏转运动中仅需克服摩擦产生的阻力，因此只需较小的驱动电流也就是电机绕组的功耗较小。
参考图2c，此图表示图2b中转子偏转到极靴的极限位置，即转子的两端面完全由相对一组定子的极靴j和k′的端面所包覆时的磁通回路。此时永磁体的驱动磁通量因经过接合部o和o′磁阻，使进入转子的磁通量减弱，因而避免了转子c在驱动电流作用下转动的妨碍，即转子不会再束缚在如图1b所示的深磁势能谷内而不能正常工作。
图3a是图2a的一个变种，即永磁体的位置和绕组的位置作了互换，但其工作原理与图2a的摆动电机基本相同。永磁体的预置磁通量经过极靴对j和k的接合部间隙o，使磁隙o的磁阻两端有不同的极性，另一永磁体对极靴j′和k′的磁阻o′也产生同样的效应。因两个永磁体是同向安置的，故j和j′具有相同的预置磁极性，而k和k′具有另一相同的预置磁极性。当两绕组中注入同向驱动电流时，产生的驱动磁通量使极靴j和k有相同的极性而使j′和k′有相同的另一极性。预置磁通量与驱动磁通量相互叠加的结果，使一对角线上极性相反的极靴(如j-k′)的磁通密度增强，而使另一对角线上(如相应为j′-k)的磁通密度减弱。于是，转子c就向j和k′的对角线方向偏转。对于这种变体来说，同样地由于极靴jj′和kk′是紧接合的，其接合部气隙o及o′的有限磁阻分流了永磁体一部分预置磁通量，因而也减弱了永磁体的预置磁通量对转子的控制作用。在闭路即附有角位置传感器的工作条件下，无论输入信号是恒定还是交变的，由于不需要在绕组中维持较大的电流，因而电机的功率消耗也同样最小。
最后参考图3b，此图表示图3a的转子偏转到极靴的极限位置，即转子偏转至完全进入对角线(如j′-k)的极靴内的状况。此时，两个永磁体的预置磁通量由极靴j′经气隙通过转子c再经过气隙进入极靴k而返回各自永磁体。由于磁靴紧接合，其接合部气隙o和o′的有限磁阻分流了部分预置磁通量，可以使极靴和转子两端面的磁通密度充分减弱，因而也避免了转子c陷入如图1b所示的深磁势能谷内而不能正常工作的状况。
权利要求1.一种有限转角摆动电机，包括由高导磁合金材料制成的一对定子；在一对定子内各设有一控制线圈绕组；在一对定子之间并联安装一对永磁体；在定子的极靴内可转动地设置一个由高导磁合金材料制成的转子；在转子的两端有轴承支持，上端轴伸联接负载和下端轴伸装有角位置传感器，此位置传感器使电机在闭环控制电路中工作；其特征在于该电机定子的极靴相互紧接合，使其接合部形成一有限的磁阻。
2.根据权利要求1的摆动电机，其中极靴的相互紧接合是通过两极靴间仅有一个几微米至十几微米的间隙实现的。
3.根据权利要求1的摆动电机，其中极靴的相互紧配合是通过在两极靴间嵌入适当尺寸和形状的高导磁材料，以设置两个或以上间隙实现的。
4.根据权利要求1-3中任一摆动电机，其中永磁体的位置和定子绕组的位置相互替换。
专利摘要本实用新型提供一种新型的有限转角摆动电机,它改变了传统结构,将分开有一定间距的定子极靴紧密接合,使其接合部形成一有限的磁阻。这种结构使转子与极靴对的区间内的偏转力矩接近为零,转子可不受约束地停留在任意位置上。因此,这种摆动电机可不设置摆动中心,免除了产生恢复力矩的弹性元件或电磁元件。同时,必需在闭环控制电路条件下工作,由于不必在绕组中维持较大的恒定电流以平衡恢复力矩,也大大降低了电机的功率消耗。
文档编号H02K35/00GK2298615SQ9720342
公开日1998年11月25日 申请日期1997年4月15日 优先权日1997年4月15日
发明者徐惠国 申请人:徐惠国