电-机械转换器的制作方法

本发明涉及一种电-机械转换器。

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、结构简单的电-机械转换器。

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：

电-机械转换器，如图1和图2所示，定子的前后侧分别装有前端盖2和后端盖9，定子内安装有第一转子3和第二转子11，第一转子3和第二转子11同轴连接，并连接输出轴1；输出轴1连接复位扭簧12；所述的定子包括同轴拼接的第一定子4、第二定子5、第三定子7和第四定子8，第二定子5和第三定子7之间放置有隔磁块6，隔磁块6的内圈设置永磁体10，每块定子环圆周均匀分布n个定子齿，定子齿形成定子磁极41，有利于增加输出力矩。第一定子4和第二定子5之间，以及第三定子7和第四定子8之间分别沿交界面开有对称的凹槽，拼合形成环形槽42，环形槽42内放置控制线圈，形成控制磁通。

第一转子3和第二转子11沿周向均匀分布有n个转子齿，转子齿形成转子磁极，每个磁极端面包括圆弧形的齿面31和矩形面32，齿面31与定子磁极41组成径向气隙。矩形面32位于在齿面31的端部，与定子磁极41的侧面组成轴向气隙。第一转子3的矩形面32位于齿面31的一端，第二转子11的矩形面32位于齿面31的另一端，使轴向气隙对称分布在定子齿的两侧；为使得电磁铁能够正常工作，需要改变转子轴向错齿的方式，即第二转子11的转子齿需要沿顺时针方向超前定子的定子齿一个角度，第一转子3的转子齿则沿顺时针方向落后定子的定子齿同样的角度。

优选地，转子采用空心杯结构，减少转动惯量，有利于增加响应速度。

优选地，复位扭簧12包括弹簧121和弹簧盖板122、联轴器123，弹簧盖板122连接后端盖9，弹簧121安装在弹簧盖板122上，联轴器123安装在弹簧121上，输出轴1的后端固接在联轴器123的中心孔内。输出轴1固接在第一转子3和第二转子11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负弹簧刚度特性，需要外加复位扭簧12使转子回到中位。

优选地，第二转子11的转子齿需要沿顺时针方向超前定子的定子齿1/4个齿距角，第一转子3的转子齿则沿顺时针方向落后定子的定子齿1/4个齿距角。

优选地，定子4、定子5、定子7和定子8环圆周均匀分布的若干个定子磁极，每个定子磁极相隔45°，转子3和转子11沿径向均匀分布有8个齿状的转子磁极。

所述前端盖2、隔磁块6、后端盖9和输出轴1用不导磁的金属材料制成，而第一转子3、第二转子11、第一定子4、第二定子5、第三定子7和第四定子8用高导磁率的金属软磁材料制成。

本发明的各定子、各转子、输出轴的轴心线位于同一直线上，即同轴安装。

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.采用双线圈励磁，控制方法更加灵活。相比于单相励磁结构，双线圈励磁虽然增加了驱动电路的复杂性，但实现输出轴的双向旋转时，控制方式更加多样化。

4.在轴向磁路中加入永磁体，增大了气隙磁通，当电磁铁工作时，永磁体形成的偏置磁通和励磁线圈形成的控制磁通相互调制，有利于增大输出力矩。

5.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是本发明的转子结构示意图；

图4是本发明的前端盖结构示意图；

图5、图10是本发明的转子结构示意图；

图6是本发明的定子结构示意图；

图7是本发明的隔磁块结构示意图；

图8是本发明的后端盖结构示意图；

图9是本发明的永磁体结构示意图；

图11是本发明的复位扭簧结构示意图；

图12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13是本发明的工作原理示意图；

图14是本发明的工作原理示意图，此时左侧控制线圈通入正向单侧电；

图15是本发明的工作原理示意图，此时右侧控制线圈通入正向单侧电流。

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11，电-机械转换器，定子的前后侧分别装有前端盖2和后端盖9，定子内安装有第一转子3和第二转子11，转子3和转子11同轴连接，并连接输出轴1；输出轴1连接复位扭簧12。所述的定子包括同轴拼接的第一定子4、第二定子5、第三定子7和第四定子8，第二定子5和第三定子7之间放置有隔磁块6，隔磁块6的内圈设置永磁体10；每块定子环圆周均匀分布8个定子齿，定子齿形成定子磁极41，每个定子磁极41相隔45°，有利于增加输出力矩。第一定子4和第二定子5之间，以及第三定子7和第四定子8之间分别沿交界面开有对称的凹槽，拼合形成环形槽42，环形槽42内放置控制线圈，形成控制磁通。

第一转子3和第二转子11沿周向均匀分布有8个磁极，每个磁极端面包括圆弧形的齿面31和矩形面32，齿面31与定子磁极41的径向端面组成径向气隙。矩形面32位于在齿面31的端部，矩形面32与定子磁极41的侧面组成轴向气隙。第一转子3的矩形面32位于齿面31的一端，第二转子11的矩形面32位于齿面31的另一端，使轴向气隙对称分布在定子齿的两侧。为使得电磁铁能够正常工作，需要改变转子轴向错齿的方式，即第二转子11的转子齿需要沿顺时针方向超前定子的定子齿1/4个齿距角，第一转子3的转子齿则沿顺时针方向落后定子的定子齿1/4个齿距角。转子采用空心杯结构，减少转动惯量，有利于增加响应速度。

复位扭簧12包括弹簧121和弹簧盖板122、联轴器123，弹簧盖板122连接后端盖9，弹簧121安装在弹簧盖板122上，联轴器123安装在弹簧121上，输出轴1的后端固接在联轴器123的中心孔内。输出轴1固接在第一转子3和第二转子11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负弹簧刚度特性，需要外加复位扭簧12使转子回到中位。

所述前端盖2、隔磁块6、后端盖9和输出轴1用不导磁的金属材料制成，而第一转子1、第一定子4、第二定子5、第三定子7和第四定子8用高导磁率的金属软磁材料制成。

如图13所示，当控制线圈不通电时，其气隙磁通仅取决于永磁体10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，第一转子3和第二转子11处于中位的初始位置。

当左侧控制线圈通入如图14所示的正向单侧电流时，工作气隙g1受励磁磁场的影响，气隙磁通增加；位于第二定子5和第一转子1之间的第二磁极g2工作气隙下控制线圈的励磁磁场与永磁体的偏置磁场方向相同而相互叠加，气隙磁通增大，第一转子3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。

当右侧控制线圈同时通入如图15所示的正向单侧电流时，工作气隙g4受励磁磁场的影响，气隙磁通增加；位于第三定子7与第二转子11之间的第三磁极g3工作气隙下控制线圈的励磁磁场与永磁体的偏置磁场方向相同而相互叠加，气隙磁通增大，第二转子11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。