力-位移特性对称的单相插片式直动电磁铁的制作方法
【专利摘要】力-位移特性对称的单相插片式直动电磁铁，包括衔铁部件、定子部件、壳体、前端盖和后端盖；所述定子部件具有单相电流励磁结构；环状永磁体位于定子右保持架与定子左保持架之间,按照整个圆周均分的方式划分成偶数个区域，且N极区域和S极区域间隔排列；衔铁保持架表面被划分成与永磁体对应的区域，插入第一衔铁硅钢片5的区域与插入第二衔铁硅钢片15的区域间隔排列。第一衔铁硅钢片5上的第二个矩形齿需要落后第二衔铁硅钢片15上的第二个矩形齿一个齿宽的距离；而第一衔铁硅钢片5上的第三个矩形齿需要提前第二衔铁硅钢片15上的第三个矩形齿一个齿宽的距离。
【专利说明】力-位移特性对称的单相插片式直动电磁铁
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及属于流体传动及控制领域中电液比例阀用的电-机械转换器，尤其涉及一种力-位移特性对称的单相插片式直动电磁铁。
【背景技术】
[0002]在电液比例/伺服控制系统中，作为电液比例/伺服阀关键部件的电-机械转换器由于工作行程较小，其性能主要追求电能与机械能转换的实时性和精度，也就是要求在保证一定的输出力/力矩的同时，尽量取得较高的动态响应。另外，在特殊环境下(如车载或者航空航天等应用场合)，还要求阀以及电-机械转换机构在保证输出功率的同时，能尽量减少外形尺寸和重量。
[0003]与传统的电-机械转换器如力矩马达、线性力马达以及比例电磁铁相比，双凸齿式阀用电-机械转换器的最大特征是定子和转子(衔铁)上开有若干小齿，因而具有输出力(力矩)和控制精度与转子(衔铁)的齿数成正比的特点，近年来在基于液压伺服螺旋机构的2D阀等领域里得到了应用。双凸齿式阀用电-机械转换器按照定子分相方式的不同可以分为径向分相式和轴向分相式两种，后者与前者相比，通过将定子励磁相改置于永磁体的一侧或两侧，从而可以构成多种旋转式、直动式、单相以及双相等新型的阀用电-机械转换器，而且很容易设计成湿式耐高压结构。
[0004]在交流控制方式下工作的电磁元件都存在涡流的问题，一般都是通过将定转子铁芯叠片的方式来降低涡流损耗。轴向分相式的双凸齿式阀用电-机械转换器由于不能像径向分相结构那样沿轴向叠片，所以只能采用整体式结构。但该结构在交流方式控制下涡流效应严重，使得电-机械转换器的无用功损耗增高，线圈发热严重，涡流还对控制绕组内电流的变化起到一定的阻碍作用，影响了电-机械转换器的动态性能。另外，其定转子整体式结构的特点也决定了必须要使用整块金属作为铁芯的软磁材料，从而使得重量居高不下，影响了整机的功率重量比。为此，也有专利提出利用增强尼龙等塑料材料作为定转子保持架，通过插片的方式构成低涡流高动态的轴向分相式电-机械转换器。
[0005]无论是整体式结构还是插片式结构的单相直动电磁铁，其基本工作原理都是将定子置于永磁体的一边，定子依次和衔铁构成三段环形的工作气隙，永磁体在其中两段工作气隙下产生极化磁场，励磁线圈则在其所属定子相内产生控制磁场，励磁电流方向变化而引起控制磁场对永磁体极化磁场作差动叠加以产生电磁力。如果假设定子铁芯和衔铁的磁阻为零，则永磁体在两段工作气隙下产生的极化磁场强度相同，此时磁路对称，即电磁铁在不同方向励磁电流下获得的力-位移特性幅值相等，力-位移特性是对称的；然而实际情况是定子铁芯和衔铁都具有一定的磁阻，按照磁路理论，此时距离永磁体较远的一段工作气隙下的极化磁场强度较弱，而距离永磁体较近的一段工作气隙下的极化磁场较强，这就造成了电磁铁的磁路不对称，当励磁电流的磁场和永磁体的磁场差动叠加时，电磁铁的力-位移特性受到励磁电流方向的影响，即在不同方向的励磁电流下获得的力-位移特性幅值不等，呈现出一种不对称的特征，当将其作为阀用电-机械转换器使用时，这种不对称的力-位移特性会影响到阀的定位精度，使其无法呈现出比例阀应有的高性能。
【发明内容】
[0006]本实用新型要克服现有技术受定子铁芯和衔铁的磁阻效应影响，呈现出一种不对称的特征的缺陷，提供一种能够克服铁芯和衔铁的磁阻效应影响，不同方向励磁电流下获得的力-位移特性幅值相等，力-位移特性对称的电磁铁。
[0007]力-位移特性对称的单相直动插片式电磁铁，包括衔铁部件、定子部件、壳体、前端盖和后端盖，壳体2、前端盖I和后端盖3将定子部件沿轴向约束固定；其特征在于:所述定子部件具有单相电流励磁结构；
[0008]环状永磁体10位于定子右保持架12与定子左保持架4之间且被轴向磁化成N极和S级；永磁体10按照整个圆周四等分的方式均分成偶数个区域，每个区域均轴向充磁，且N极区域和S极区域间隔排列；
[0009]所述衔铁部件包括衔铁保持架6、第一衔铁硅钢片5、第二衔铁硅钢片15与推杆7 ；衔铁保持架6靠近后端盖3 —侧设有轴孔，推杆7 —端与衔铁保持架6的轴孔呈过盈连接，其另一端通过直线轴承8支撑在前端盖I上，推杆7用于与阀芯联动；
[0010]在衔铁保持架6的径向外圆柱面上开有若干均匀分布的插槽用于插入第一衔铁硅钢片5和第二衔铁硅钢片15，第一衔铁硅钢片5和第二衔铁硅钢片15均为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平条状，其上开有呈非等间隔分布且齿宽相等的三个矩形齿；第二衔铁硅钢片15上三个矩形齿的齿宽需要和第一定子硅钢片11下的两个极身宽度及第二定子硅钢片9的极身宽度相等，统一记为Pl ;第一定子硅钢片11靠近永磁体10 —极的极身宽度与第二定子硅钢片9的极身宽度，以及环状永磁体10的轴向尺寸三者之和SI和第二衔铁硅钢片15上靠近后端盖3的两个矩形齿之间的距离S2需要满足关系式Sl=S2+Pl/2 ；整个定子部分的有效部分长度LI与第二衔铁硅钢片15的长度L2之间需要满足关系式L2=Ll+Pl/2 ；
[0011]第一衔铁硅钢片5的长度、厚度以及其上分布的矩形齿齿宽与第二衔铁硅钢片15相同；第一衔铁硅钢片5上的第二个矩形齿落后第二衔铁硅钢片15上的第二个矩形齿一个齿宽的距离，即S3=S2+P1 ;而第一衔铁硅钢片5上的第三个矩形齿需要提前第二衔铁硅钢片15上的第三个矩形齿一个齿宽的距离，即S4=L2-P1 ；
[0012]衔铁保持架6的表面划分成与永磁体10对应的偶数个区域，每个区域的插槽数相等，插入第一衔铁硅钢片5的区域与插入第二衔铁硅钢片15的区域间隔排列。
[0013]优选地，永磁体10按照整个圆周四等分的方式划分成4个区域，每个区域均轴向充磁，且N极区域和S极区域间隔排列。
[0014]进一步，所述定子部件的单相电流励磁结构包括:定子右保持架12、第一定子硅钢片11、定子左保持架4、第二定子硅钢片9、线圈保持架14、控制线圈13和圆环状永磁体10 ;定子右保持架12上径向分布有等间距的插槽用于插入第一定子硅钢片11，第一定子硅钢片11为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平匚形状；定子左保持架4上同样沿径向分布有等间距的插槽用于插入第二定子硅钢片9，第二定子硅钢片9为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平条状；第一定子硅钢片11和第二定子硅钢片9均以稍微过盈的配合插入定子右保持架12和定子左保持架4的插槽以构成产生电磁力所必需的定子凸齿结构；[0015]定子右保持架12呈中空的半圆柱形状，其内侧柱面掏空，形成半环状空腔，所述线圈保持架14位于两个相同形状的定子右保持架12相互扣合所形成的空腔内，控制线圈13环绕其上形成电流励磁相；
[0016]进一步，衔铁保持架6为高强度的增强尼龙材料注塑成型，衔铁保持架6呈空心杯状，以有效减少衔铁的运动惯量，提高其动态响应；定子右保持架12与定子左保持架4均通过高强度的增强尼龙材料注塑成型，可以在保持一定的强度和刚度的同时，大大减轻整机重量，有利于提高整机的功率重量比；壳体和前后端盖也采用高强度的增强尼龙材料注塑成型。
[0017]本实用新型的有益效果主要表现在:1、通过改进的电磁设计，使得单相插片式直动电磁铁的力-位移特性对称，即在不同方向的励磁电流下获得的力-位移特性幅值相等，有利于提闻阀的定位精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型的结构原理示意图；
[0019]图2为本实用新型的第一定子硅钢片的结构示意图；
[0020]图3为本实用新型的定子右保持架结构示意图；
[0021]图4为本实用新型中插上定子硅钢片后的两片定子右保持架组合后的示意图；
[0022]图5为本实用新型的第二定子硅钢片的结构示意图；
[0023]图6为本实用新型的定子左保持架的结构示意图；
[0024]图7为本实用新型的第一衔铁硅钢片的结构示意图；
[0025]图8为本实用新型的第二衔铁硅钢片的结构示意图；
[0026]图9为本实用新型中的衔铁保持架的结构示意图；
[0027]图10为本实用新型中按两两间隔方式插入第一衔铁硅钢片和第二衔铁硅钢片后的衔铁组件整体示意图；
[0028]图11为本实用新型按两两间隔方式插入第一衔铁硅钢片和第二衔铁硅钢片后的衔铁组件端面示意图；
[0029]图12为本实用新型的永磁体充磁方式示意图；
[0030]图13为本实用新型的结构尺寸示意图；
[0031]图14为用来和本实用新型对比的传统单相插片式直动电磁铁的工作原理示意图；
[0032]图15a，15b和15c为本实用新型的工作原理示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
[0034]参照图1?图15c，一种力-位移特性对称的单相直动插片式电磁铁，其主要结构包括衔铁部件、定子部件、壳体、前端盖和后端盖。所述定子部分包括定子右保持架12、第一定子硅钢片11、定子左保持架4、第二定子硅钢片9、线圈保持架14、控制线圈13和圆环状永磁体10 ;定子右保持架12与定子左保持架4均通过高强度的增强尼龙材料注塑成型，可以在保持一定的强度和刚度的同时，大大减轻整机重量，有利于提高整机的功率重量比；定子右保持架12上径向分布有等间距的插槽用于插入第一定子硅钢片11，第一定子硅钢片11为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平匚形状；定子左保持架4上同样沿径向分布有等间距的插槽用于插入第二定子硅钢片9，第二定子硅钢片9则为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平条状；第一定子硅钢片11和第二定子硅钢片9均以稍微过盈的配合插入定子右保持架12和定子左保持架4的插槽以构成产生电磁力所必需的定子凸齿结构；定子右保持架12呈中空的半圆柱形状，其内侧柱面掏空，形成半环状空腔，所述线圈保持架14位于两个相同形状的定子右保持架12相互扣合所形成的空腔内，控制线圈13环绕其上形成电流励磁相；所述环状永磁体10位于定子右保持架12与定子左保持架4之间且被轴向磁化成N极和S级。为保证力-位移特性对称，永磁体10必须按照将整个圆周以偶数等分的方式均分成若干个区域，每个区域均轴向充磁，且N极区域和S极区域间隔排列。从工艺角度而言，二等分充磁最为便捷，但电磁铁会有径向力不平衡的问题，从而影响到轴承的使用寿命；过多的等分对电磁铁性能的提升没有帮助，且充磁工艺上较为繁琐，因而综合而言，将永磁体四等分充磁实用性最好，如图12所示。
[0035]所述衔铁部件包括衔铁保持架6、第一衔铁硅钢片5、第二衔铁硅钢片15与推杆7三部分。衔铁保持架6为高强度的增强尼龙材料注塑成型，通过将衔铁保持架6设计成空心杯状，能够有效减少衔铁的运动惯量，提高其动态响应。衔铁保持架6靠近后端盖3 —侧设有轴孔，推杆7 —端与衔铁保持架6的轴孔呈过盈连接，其另一端通过直线轴承8支撑在前端盖I上，推杆7用于与阀芯联动。
[0036]在衔铁保持架6的径向外圆柱面上开有若干均匀分布的插槽用于插入第一衔铁硅钢片5和第二衔铁硅钢片15，第一衔铁硅钢片5和第二衔铁硅钢片15均为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平条状，其上开有呈非等间隔分布且齿宽相等的三个矩形齿；为实现电磁铁的正常工作，第二衔铁硅钢片15上三个矩形齿的齿宽需要和第一定子硅钢片11下的两个极身宽度(齿宽)及第二定子硅钢片9的极身宽度(齿宽)相等，统一记为Pl ;第一定子硅钢片11靠近永磁体10 —极的极身宽度与第二定子硅钢片9的极身宽度，以及环状永磁体10的轴向尺寸三者之和SI和第二衔铁硅钢片15上靠近后端盖3的两个矩形齿之间的距离S2需要满足关系式Sl=S2+Pl/2 ;整个定子部分的有效长度LI与第二衔铁硅钢片15的长度L2之间需要满足关系式L2=Ll+Pl/2。第一衔铁硅钢片5的总长度、厚度以及其上分布的矩形齿齿宽与第二衔铁硅钢片15完全相同，为使得电磁铁的力-位移特性相等，达到在工作时，电磁铁工作气隙下有一半的区域定子硅钢片和衔铁硅钢片处于“齿对齿”的状态，而另外一半区域定子硅钢片和衔铁硅钢片则处于“齿对槽”的状态，从左至右看去，第一衔铁硅钢片5上的第二个矩形齿需要落后第二衔铁硅钢片15上的第二个矩形齿一个齿宽的距离，即S3=S2+P1 ;而第一衔铁硅钢片5上的第三个矩形齿需要提前第二衔铁硅钢片15上的第三个矩形齿一个齿宽的距离，即S4=L2-P1，如图13所示。
[0037]为了保证力-位移特性对称，衔铁保持架6的插槽数必须是能被2所整除的偶数，以此可以将衔铁保持架6分成插槽数相等的若干偶数个区域，插入第一衔铁硅钢片5的区域与插入第二衔铁硅钢片15的区域间隔排列，注意衔铁保持架6的区域数需要和前述永磁体10的区域数对应，即两者的划分区域数目相等、各区域的弧度相同。
[0038]壳体2、前端盖I和后端盖3将定子部件沿轴向约束固定。为进一步减轻整机重量，壳体和前后端盖也可以采用高强度的增强尼龙材料注塑成型。[0039]这种插片式直动电磁铁可以采用脉冲式控制，也可以采用比例式控制。为叙述清晰起见，下面以永磁体四等分充磁、衔铁保持架径向均布24个插槽且划分为四个区域的单相插片式直动电磁铁为例，以脉冲式控制来阐述本实用新型的工作原理:
[0040]首先有必要阐述传统的单相插片式直动电磁铁的工作原理，以期与本实用新型的内容作个比较，如图14所示，和本实用新型一样，传统的单相插片式直动电磁铁也是由定子和衔铁之间形成三段环形的工作气隙S1、δ2、δ 3，永磁体在其中两段工作气隙δ2和δ 3下产生极化磁场，励磁线圈在其定子相内产生控制磁场，以励磁电流的方向变化而引起控制磁场对永磁体磁场作差动叠加以产生电磁力。但是和本实用新型不同的是，传统的单相插片式直动电磁铁的衔铁保持架上的衔铁硅钢片只有单独的一种，且永磁体是整体轴向充磁。可以看到，无论励磁电流方向怎么变化，两段工作气隙S 2和δ 3下的磁场必然是以下两种情况之一:
[0041]1.δ 2下永磁体和励磁线圈的磁场相互增强，δ 3下永磁体和励磁线圈的磁场相互抵消；
[0042]I1.δ 3下永磁体和励磁线圈的磁场相互增强，δ 2下永磁体和励磁线圈的磁场相互抵消；
[0043]如果假设定子和衔铁的硅钢片磁阻为零，则永磁体在两段工作气隙下产生的极化磁场强度相同，此时磁路对称，力-位移特性独立于励磁电流方向的变化，即电磁铁在不同方向的励磁电流下获得的力-位移幅值相等，力-位移特性是对称的；然而实际情况是定子和衔铁的硅钢片都具有一定的磁阻，按照磁路理论，此时距离永磁体较远的一段工作气隙S 3下的极化磁场强度较弱，而距离永磁体较近的一段工作气隙δ 2下的极化磁场较强，从产生的电磁力幅值的角度看，第I种情况产生的力幅值大而第II种情况产生的力幅值小，由于电磁铁磁路不对称，其在不同方向的励磁电流下获得的力-位移特性幅值不等，呈现出一种不对称的特征。
[0044]从上述的讨论中可以得到启发，如果能做到无论励磁电流方向怎么变化，两段工作气隙下始终有靠近永磁体的半段气隙和远离永磁体的半段气隙下各自的磁场相互增强，而剩余的靠近永磁体的半段气隙和远离永磁体的半段气隙下各自的磁场相互抵消的话，磁路就可以对称，电磁铁的力-位移特性就可以对称，不同方向的励磁电流产生的力幅值就
可以相等。
[0045]按照这个原则，本实用新型提出了所谓力-位移特性对称的单相插片式直动电磁铁，通过改变永磁体的充磁方式和轴向错齿的两种衔铁硅钢片，来实现电磁铁的力-位移特性对称。
[0046]参照图15a?15c，令图15a所示的转子位置为初始位置，当控制线圈13不通电流的时候，工作气隙δ 1、δ 2、δ 3、δ 4、δ 5内只有永磁体产生的极化磁场；当控制线圈13通入如图15b所示的电流时(Θ方向表示沿纸面向外十Λ(向表示沿纸面向里)，电流控制磁场与永磁极化磁场在工作气隙δ 2、δ 3、δ 4、δ 5中相互叠加,其中工作气隙δ3和δ 5下控制磁场与永磁极化磁场方向相同，磁场增强；工作气隙δ 2和δ 4下电流磁场与永磁极化磁场方向相反，磁场相互抵消，此时整个衔铁受到电磁力向左移动1/4个齿距，可以看至Ij,此时产生电磁力的δ 3位于远离永磁体的一端，δ 5则靠近永磁体；不产生电磁力的δ4也位于远离永磁体的一端，δ 2则靠近永磁体；当控制线圈13通入如图15c所示的电流时，工作气隙S2和δ4下磁场增强，工作气隙δ3和δ 5下磁场相互抵消，整个衔铁受到电磁力向右移动1/4个齿距，此时产生电磁力的δ 4位于远离永磁体的一端，δ 2则靠近永磁体；不产生电磁力的S 3也位于远离永磁体的一端，δ 5则靠近永磁体；可以看到，无论励磁电流方向如何变化，总是可以实现两段工作气隙中有靠近永磁体的半段气隙和远离永磁体的半段气隙下各自的磁场相互增强，而剩余靠近永磁体的半段气隙和远离永磁体的半段气隙下各自的磁场相互抵消，即磁路是对称的，从而保证了电磁铁的力-位移特性对称，不同方向的励磁电流产生的力幅值相等。
[0047]上述【具体实施方式】用来解释本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.力-位移特性对称的单相插片式直动电磁铁，包括衔铁部件、定子部件、壳体、前端盖和后端盖，壳体(2)、前端盖(I)和后端盖(3)将定子部件沿轴向约束固定；其特征在于:所述定子部件具有单相电流励磁结构； 环状永磁体(10)位于定子右保持架(12)与定子左保持架(4)之间且被轴向磁化成N极和S级；永磁体(10)按照整个圆周均分的方式，划分成偶数个区域，每个区域均轴向充磁，且N极区域和S极区域间隔排列； 所述衔铁部件包括衔铁保持架(6)、第一衔铁硅钢片(5)、第二衔铁硅钢片(15)与推杆(7);衔铁保持架(6)靠近后端盖(3)—侧设有轴孔，推杆(7)—端与衔铁保持架(6)的轴孔呈过盈连接，其另一端通过直线轴承(8 )支撑在前端盖(I)上，推杆(7 )用于与阀芯联动； 在衔铁保持架(6)的径向外圆柱面上开有若干均匀分布的插槽用于插入第一衔铁娃钢片(5)和第二衔铁硅钢片(15)，第一衔铁硅钢片(5)和第二衔铁硅钢片(15)均为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平条状，其上开有呈非等间隔分布且齿宽相等的三个矩形齿；第二衔铁硅钢片(15)上三个矩形齿的齿宽需要和第一定子硅钢片(11)下的两个极身宽度及第二定子硅钢片(9)的极身宽度相等，统一记为Pl ;第一定子硅钢片(11)靠近永磁体(10) —极的极身宽度与第二定子硅钢片(9)的极身宽度，以及环状永磁体(10)的轴向尺寸三者之和SI和第二衔铁硅钢片(15)上靠近后端盖(3)的两个矩形齿之间的距离S2需要满足关系式Sl=S2+Pl/2 ;整个定子部分的有效长度LI与第二衔铁硅钢片(15)的长度L2之间需要满足关系式L2=Ll+Pl/2 ； 第一衔铁硅钢片(5)的长度、厚度以及其上分布的矩形齿齿宽与第二衔铁硅钢片(15)相同；第一衔铁硅钢片(5)上的第二个矩形齿落后第二衔铁硅钢片(15)上的第二个矩形齿一个齿宽的距离，即S3=S2+P1 ;而第一衔铁硅钢片(5)上的第三个矩形齿需要提前第二衔铁硅钢片(15)上的第三个矩形齿一个齿宽的距离，即S4=L2-P1 ； 衔铁保持架(6)的表面划分成与永磁体(10)相同的偶数个区域，每个区域的插槽数相等，插入第一衔铁硅钢片(5)的区域与插入第二衔铁硅钢片(15)的区域间隔排列。
2.如权利要求1所述的电磁铁，其特征在于:永磁体(10)按照整个圆周四等分的方式划分成4个区域，每个区域均轴向充磁，且N极区域和S极区域间隔排列。
3.如权利要求1或2所述的电磁铁，其特征在于:所述定子部件的单相电流励磁结构包括:定子右保持架(12)、第一定子硅钢片(11)、定子左保持架(4)、第二定子硅钢片(9)、线圈保持架(14)、控制线圈(13)和圆环状永磁体(10);定子右保持架(12)上径向分布有等间距的插槽用于插入第一定子硅钢片(11)，第一定子硅钢片(11)为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平匚形状；定子左保持架(4)上同样沿径向分布有等间距的插槽用于插入第二定子硅钢片(9)，第二定子硅钢片(9)为采用硅钢材料冷冲压成型的扁平条状；第一定子硅钢片(11)和第二定子硅钢片(9)均以稍微过盈的配合插入定子右保持架(12)和定子左保持架(4)的插槽以构成产生电磁力所必需的定子凸齿结构；定子右保持架(12)呈中空的半圆柱形状，其内侧柱面掏空，形成半环状空腔，所述线圈保持架(14)位于两个相同形状的定子右保持架(12)相互扣合所形成的空腔内，控制线圈(13)环绕其上形成电流励磁相。
4.如权利要求3所述的电磁铁，其特征在于:衔铁保持架(6)为增强尼龙材料注塑成型，衔铁保持架(6)呈空心杯状，以有效减少衔铁的运动惯量，提高其动态响应；定子右保持架(12)与定子左保持架(4)均通过增强尼龙材料注塑成型，可以在保持一定的强度和刚度的同时，大大减轻整机重量，有利于提高整机的功率重量比；壳体和前后端盖也采用增强尼 龙材料注塑成型。
【文档编号】F16K31/08GK203413213SQ201320395235
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年7月3日 优先权日:2013年7月3日
【发明者】孟彬, 陈烜, 阮健 申请人:浙江工业大学