磁极开齿式力矩马达的制作方法

本发明属于流体传动及控制领域中电液伺服阀用的电-机械转换机构，尤其涉及线性小角度力矩马达。

背景技术：

电液伺服控制技术主要应用于冶金、船舶、航空航天和军事等领域。电液伺服阀作为连接系统电气部分和液压部分的纽带,是电液伺服控制系统的核心元件,其性能好坏直接影响伺服系统的特性及功能实现。在现有电液伺服阀中比较常见的喷嘴挡板阀和射流管阀中，大量采用力矩马达作为电-机械转换器。力矩马达将电信号转换为机械运动，利用电磁原理工作，由永久磁铁或激磁线圈产生极化磁场，电气控制信号通过控制线圈产生控制磁场，两个磁场之间相互作用产生与控制信号成比例并能反应控制信号极性的力或力矩，从而使其运动部分产生直线位移或角位移机械运动。根据按可动件的运动形式分为直线位移式和角位移式，按可动件的结构形式分为动铁式和动圈式。动铁式力矩马达的衔铁由软磁材料制成,控制线圈一般跨绕在衔铁上,以提供控制磁通。偏置磁通的励磁方式有电励磁和永磁励磁,电励磁方式则可以提供灵活多变的偏置磁通,方便力矩马达的特性调节，永磁励磁式力矩马达结构紧凑。工作气隙按照不同的特性要求也具有矩形和环形等多种形式。电磁铁输出转矩可分为两部分,一部分为控制线圈电流产生的电磁转矩，另外一部分为衔铁转子偏离中位后,偏置磁通变化所产生的附加磁力矩。传统的力矩马达大多采用矩形气隙，这种力矩马达产生的附加磁力矩相当于一个具有负弹簧刚度的弹簧,使衔铁进一步偏离中位,对力矩马达的稳定工作造成不利影响。因此,在实际使用中,马达的机械平衡弹簧必须具有刚度裕量,以平衡这一磁弹簧刚度。

技术实现要素：

为了克服现有力矩马达线性度不高，工作不够平稳等缺点，本发明提供了一种在定子和转子上开齿的永磁回转式力矩马达，采用在主磁极开齿，力矩马达的磁弹簧刚度为正,偏置磁通变化所产生的附加磁力矩能够使偏离中位的衔铁转子回至中位,与机械平衡弹簧的作用相同，有利于力矩马达工作的稳定性，并且可以改善力矩马达的线性度、运转时的平稳性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种磁极开齿式力矩马达，包括前端盖、后端盖、转子、输出轴、第一控制线圈和第二控制线圈、左定子和右定子；

所述左定子和右定子的定子铁轭上均有两个主磁极，一共有四个主磁极，分别为第一磁极、第二磁极、第三磁极和第四磁极；每块定子铁轭侧面中间分别开有对称的缺口，用来绕制第一控制线圈和第二控制线圈；左右定子铁轭开有一定深度的槽口用来支撑第一永磁体和第二永磁体；

四个主磁极分别沿着轴向开有五个相同大小的齿槽，所有齿顶都在以衔铁连接轴为轴心，齿顶到轴心的距离为半径的圆柱面上；

第一永磁体的两极和第二永磁体的两极分别吸合在左右两块定子铁轭上，分别通过左右磁极形成上下极化磁场；

所述转子中间开有连接衔铁连接杆的孔，且与衔铁连接杆是过盈配合，定子上沿径向每隔90°有一个凸台，并在每个凸台上开有五个相同大小的齿，定子铁轭和转子装配时错开不同的齿，形成封闭的磁路以及转子不同角度的双向转动。

进一步，左右定子铁轭沿着轴向的四个棱边分别设有弧形的缺口，前后端盖在四角处分别做出四个脚，与左右定子铁轭四个弧形缺口棱边相配合。

再进一步，端盖上、下突出部分用来定位第一永磁体和第二永磁体，前后端盖分别开有轴承座孔。

更进一步，前后端盖用不导磁的金属材料制成，而衔铁和左右铁轭用高导磁率的金属软磁材料制成。

优选的，左右定子铁轭的四个顶部开有对称的螺栓孔。

本发明的原理：力矩马达电磁铁气隙下的磁场由两部分组成，一部分是永磁体产生的极化磁场，另一部分是控制线圈产生的励磁磁场，这两个磁场相互调制以实现电磁铁的正常工作。当电磁铁不通电时，其气隙磁场仅取决于永磁体的极化磁场，此时四个磁极下的定转子齿的位置关系相同，都是错开1/4个齿距，如图7a所示。当控制线圈中有电流流过时，其产生的励磁磁场和永磁体的极化磁场便相互作用，从而产生输出力矩。此电磁铁任意两个相邻定子大极轴线间的夹角为90°，每一个转子齿距(360°的电角度)所对应的机械角度为7.2°，且当定子的一个大极轴线与转子齿轴相重合时，相邻大极与转子齿的轴就错开1/2个齿距角。

为了改善力矩马达输出力矩的大小，本发明采用四个主磁极，有利于增加输出力矩，弥补了两个磁极的力矩小的缺点，并且四个主磁极分布在对角线上，这样使得力矩马达的结构紧凑，同时能够给控制线圈提供更大的空间，可以增加控制控制磁通，从而提高力矩。

本发明的有益效果主要表现在：

1.本发明采用在主磁极开齿，力矩马达的磁弹簧刚度为正,偏置磁通变化所产生的附加磁力矩能够使偏离中位的衔铁转子回至中位,与机械平衡弹簧的作用相同，有利于力矩马达工作的稳定性，并且可以改善力矩马达的线性度、运转时的平稳性。

2.本发明采用四个主磁极，有利于增加输出力矩，弥补了两个磁极的力矩小的缺点，并且四个主磁极分布在对角线上，这样使得力矩马达的结构紧凑，同时能够给控制线圈提供更大的空间，可以增加控制控制磁通，从而提高力矩。

3.本发明控制线圈不是安装在转子上，而是外置在定子上。定子上有足够的空间绕制线圈，这样设计不仅可以提高控制线圈的匝数，而且转子的尺寸不会受到线圈的约束，也有利于线圈散热，适合耐高压设计。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的剖视图；

图3是本发明的前端盖示意图，后端盖与其结构相同；

图4是本发明的磁钢结构示意图；

图5是本发明的左定子铁轭结构示意图，右定子铁轭与其结构完全相同；

图6为本发明的转子铁心的结构示意图；

图7为本发明的原理图，其中7a表示转子中位的状态，图7b表示转子由中位逆时针旋转1/4个齿距，图7c表示转子由中位顺时针旋转1/4个齿距。

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7，一种磁极开齿式力矩马达，包括前端盖2、后端盖1、转子7、输出轴6、第一永磁体5、第二永磁体8、第一控制线圈9和第二控制线圈10、左定子4、右定子3、轴环套筒11；

所述的定子由左右两块定子铁轭4和3组成，每块定子铁轭上有两个主磁极，一共有四个主磁极，分别为第一磁极、第二磁极、第三磁极、第四磁极。每块定子铁轭侧面中间分别开有对称的缺口，用来绕制第一控制线圈9和第二控制线圈10，产生控制磁场，左右定子铁轭的四角处开有对称的螺栓孔，这样避免了螺栓孔对磁路的影响，左右定子铁轭开有一定深度的槽口用来支撑第一永磁体和第二永磁体；四个主磁极分别沿着轴向开有五个相同大小的齿槽，所有齿顶都在以衔铁连接轴为轴心，齿顶到轴心的距离为半径的圆柱面上。

所述的第一永磁体5和第二永磁体8的两极分别吸合在左右两块定子铁轭上，永磁体安装时需要保证极性一致，分别通过左右磁极形成上下极化磁场；

所述的前后端盖2和1在四角处分别设计凸出部分，与左右定子铁轭四个弧形槽口棱边相配合，不仅能够固定定子，而且使磁极开齿式力矩马达的结构紧凑。端盖上、下突出部分用来定位第一永磁体5和第二永磁体8，前后端盖分别开有轴承座孔；

所述的转子7中间开有连接输出轴6的孔，且与输出轴是过盈配合，输出轴的轴肩与轴环套筒11相互作用防止转子的轴向蹿动，转子上沿径向每隔90°有一个凸台，并在每个凸台上开有五个相同大小的齿，定子铁轭和转子装配时可以错开不同的齿，形成封闭的磁路以及转子不同角度的双向转动；

前后端盖用不导磁的的金属材料制成，而衔铁和左右铁轭用高导磁率的金属软磁材料制成。

按照应用场合的不同，电磁铁的控制方式可以是步进式、细分步进式乃至连续跟踪控制式。以下以步进控制为例来阐述电磁铁的工作原理。

转子处于中位的位置：如图7a所示，当电磁铁处于控制线圈不通电的初始状态时，相对磁极的工作气隙相同，四个大极极下的齿和转子齿都是错开1/4个齿距角。

转子逆时针旋转：当两侧控制线圈通入如图7b所示方向的电流时，此时，磁极1和磁极4的工作气隙中，通过线圈的励磁磁场与永磁体的极化磁场的方向一致，此时磁极极下气隙磁通将增大，即磁极1和4的大极轴线与转子齿轴相重合；磁极2和磁极3的工作气隙中，通过的线圈的励磁磁场与永磁体的极化磁场的方向相反，此时磁极极下气隙磁通将减小，即磁极2和3的大极轴线与转子齿轴错开1/2个齿距角。

转子逆时针旋转：当两侧控制线圈同时通入如图7c方向所示的电流时，磁极2和磁极3的工作气隙中，通过的线圈的励磁磁场与永磁体的极化磁场的方向一致，此时磁极极下气隙磁导将处增加，即磁极2和3的大极轴线与转子齿轴相重合；磁极1和磁极4的工作气隙中，通过的线圈的励磁磁场与永磁体的极化磁场的方向相反，此时磁极极下气隙磁导将减小，即磁极1和4的大极轴线与转子齿轴错开1/2个齿距角。

转子回到中位：当线圈断电时，控制磁场消失，转子在极化磁场的作用下回到中位的位置。

综上所述，当两侧线圈通电方式：两侧线圈不通电→两侧线圈通入图7b所示方向的电流→两侧线圈不通电→两侧线圈通入图7c所示方向的电流→两侧线圈不通电，这种循环通电的方式会使电磁铁在初始位置上以1.8°顺、逆时针不停地来回摆动。

上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。