基于混合气隙的高频直动式力马达的制作方法

本发明属于流体传动及控制领域中伺服比例阀用的电-机械转换器，尤其涉及一种基于混合气隙的高频直动式力马达。

技术背景

电液控制器件中，电-机械转换器是一个关键部件。提高电-机械转换器的频响和带载能力是提高电液伺服阀频响的一个前提。目前在电液控制器件中应用的电-机械转换器主要有永磁力矩马达、动圈式力马达、比例电磁铁和动铁式力马达。

阀用电-机械转换器按照可动件的形式可分为直线位移式和角位移式两种，按可动件结构形式可分为动铁式和动圈式两种，前者可动件是衔铁，后者可动件是动圈。动铁式力马达与动圈式力马达相比，尽管价格更贵，但具有体积小、重量轻、输出力大的优点，因此应用日益广泛。

传统的比例电磁铁由于其体积较大，且只能给伺服比例阀提供单向驱动力，因此通常需要采用两个比例电磁铁来实现伺服比例阀的换向，这使得伺服比例阀的质量增加，惯性增大，因此响应速度较慢。因此，传统的比例电磁铁并不适用需要快速动态响应的使用场合。但是比例电磁铁由于结构上的特殊设计，使之形成特殊形式的磁路，从而使它获得的基本吸力特性——水平力-位移特性与普通直流电磁铁的吸力特性有着原则区别。

力马达由于驱动力大的优点往往用于工业领域,直接驱动阀芯,成为在直动式电液伺服阀上应用最广泛的电-机械转换器。例如，moog公司开发了用于d633/d634直动式电液伺服阀的永磁极化式双向线性力马达，采用了单线圈、双永磁体的结构型式，利用线圈控制磁场和径向永磁极化磁场的差动驱动方式，实现力马达双向控制，具有节能、可靠、成本低等性能优势。该力马达拥有一个对中弹簧,可实现断电归中,同时对中弹簧也保证力马达输出的阀芯驱动力与输入电流成正比。这种力马达输出力大,确保伺服阀可以克服液动力和摩擦力,提高伺服阀抗污染性。但是该力马达的惯性环节相对笨重，所以响应也相对缓慢,频响一般都不会很高,而且长期工作还会出现发热的问题。

李其朋等在单向比例电磁铁的分析基础上，提出一种新型耐高压电-机械转换器，通过径长比选取、线圈永磁体布局、软磁材料和硬磁材料分析等设计，减少摩擦力并改善磁通，研究出提高响应速度的方法，做到线性工作范围±1mm，最大驱动力为±60n，非线性度小于0.5％，滞环小于2％，幅频宽达到160hz。

李勇等基于动铁式电-机械转换器的功能转换关系及其效率分析，概述了多种降低功耗的方法，提出了低功耗耐高压单向比例电磁铁和低功耗耐高压双向线性力马达两种结构，前者采用阶梯环形的极靴和衔铁等结构设计，构成了一个轴向工作气隙和两个径向工作气隙，线性工作行程为1.4mm，非线性小于4％，滞环小于2％，力动态响应上升时间为47ms，频响为36hz，额定稳态功耗为9.5w，室温下稳态线圈温升为42.5℃。

孟彬等提出一种高频直动式力马达，具有高频响应，输出力大的特点，但是其控制线圈的单侧布置使得到四处工作气隙距离不等，从而导致磁路分布不均匀，工作气隙磁通不对称，往复输出力大小不相同，是需要着重改进的一点。同时，电流与位移非线性关系是动铁式力马达的普遍问题，若能运用特殊的补偿方法，添加混合气隙改进磁路，将能很好的改善其力-位移特性。

在此基础上，提出一种基于混合气隙的高频直动式力马达，使其具有水平力-位移特性曲线，实现电流-力-位移的线性转换。

技术实现要素：

为了实现电流-力-位移的线性转换，利用混合气隙，本发明提供一种高频响应、磁路对称、具有水平力-位移特性曲线的动铁式力马达。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于混合气隙的高频直动式力马达，包括衔铁部件、轭铁部件、复位弹簧部件、前端盖、外壳，所述衔铁部件包括第一衔铁和第二衔铁、推杆、第一永磁体和第二永磁体。所述第一衔铁长边的对角线上各凸出一个方向相反的90°的凸台，所述第一衔铁上的凸台外侧各自额外添加一个竖直的第一径向极靴。所述第一衔铁的两端各有一个长方形的凹槽，中间有一个圆弧凹槽，所述第一永磁体、第二永磁体均被径向充磁成n级和s极，所述第一衔铁两端长方形的凹槽内分别与第一永磁体、第二永磁体的n极面贴合，所述第一衔铁及第一衔铁的一对凸台均被第一永磁体、第二永磁体磁化成n极端，所述第一衔铁、第二衔铁结构完全相同，反向相互扣合。所述第二衔铁两端长方形的凹槽内分别与第一永磁体、第二永磁体的s极面贴合，所述第二衔铁及第二衔铁的一对凸台均被第一永磁体、第二永磁体磁化成s极端。所述第一衔铁与第二衔铁安装第一永磁体和第二永磁体后组成一个不完整圆孔，该圆孔用于安装推杆。

所述推杆为一轴体，沿长轴方向即为轴向，沿半径方向即为径向，沿圆周方向即为周向。所述第一衔铁、第二衔铁的组合圆孔夹紧推杆左端两轴肩之间的部分，所述推杆的中间部分安装在第二外壳上的直线轴承内，所述推杆的右端连接复位弹簧部件，所述推杆右端从前端盖露出的部分与伺服比例阀的阀芯直接连接。所述推杆被限制径向运动，可以周向运动，但主要作用是做轴向直线运动。其他部件的轴向和径向判断皆以推杆轴为标准。

所述轭铁部件包括轭铁架和控制线圈，包括平行设置的第一臂和第二臂，两臂的中部的上端面之间跨设有连接桥路，连接桥路高于第一臂和第二臂所在的平面，所述控制线圈安装在轭铁架中间的连接桥路中部，所述轭铁架第一臂和第二臂端部的相对侧凸出，形成四个相互对称的轴向极靴。所述控制线圈沿着轭铁架到四个轴向极靴的路径完全对称且相等。所述衔铁部件安装在轭铁架四个轴向极靴、额外的四个第二径向极靴以及连接桥路构成的立体空间内部，此时第一衔铁的一对凸台分别与轭铁架左端的上极靴、右端的下极靴组成第一工作气隙、第三工作气隙，第二衔铁的一对凸台分别与轭铁架左端的下极靴、右端的上极靴组成第二工作气隙、第四工作气隙，所述第一工作气隙、第二工作气隙、第三工作气隙、第四工作气隙在未通电的情况下，大小完全相等。

所述衔铁部件的四个第一径向极靴与所述轭铁部件的四个第二径向极靴一一对应形成径向气隙，该径向气隙在衔铁部件轴向运动时大小恒定不变。沿轴向方向上，衔铁部件的四个第一径向极靴与轭铁部件四个第二径向极靴恰好错位布置，轭铁部件上的第二径向极靴更加靠近外侧。

进一步，所述复位弹簧部件包括复位弹簧、第一弹簧底座、第二弹簧底座和第二弹簧底座限位环；所述的外壳包括第一外壳和第二外壳，复位弹簧部件安装在第二外壳内，衔铁部件和轭铁部件安装在第一外壳内；所述第一弹簧底座安装在第二外壳的左端，所述第二弹簧底座安装在前端盖左端的环形凹槽内，所述第二弹簧底座限位环安装在第二弹簧底座的右端，所述复位弹簧的左端安装在第一弹簧底座，所述复位弹簧的右端安装在第二弹簧底座。所述第一弹簧底座和所述第二弹簧底座除了被第二外壳和前端盖限制，也被推杆在第二外壳部位内的两轴肩限制。所述第一外壳右端开口与所述第二外壳左端密封连接，所述前端盖的左端与所述第二外壳的右端密封连接。

进一步，所述的前端盖、推杆、第一弹簧底座、第二弹簧底座、第一外壳和第二外壳均为不导磁材料制成的非导磁体；所述轭铁、第一衔铁和第二衔铁均为软磁材料制成的导磁体。

本发明的有益效果主要表现在：

1、该基于混合气隙的高频直动式力马达，所述力马达轭铁架及衔铁部件在主要轴向工作气隙侧面，各自额外添加径向极靴，形成特殊补偿磁路，在由轴向极靴得到的逐渐上升的力-位移特性曲线上再补偿一条由径向极靴得到的逐渐下降的力-位移特性曲线，通过混合气隙的运用，使其最终合成在工作行程内近乎水平的力-位移特性曲线，从而实现电流-力-位移的线性转换。

2、该基于混合气隙的高频直动式力马达轭铁架第一臂、第二臂和连接桥路的对称立体设计使其结构紧凑，安装合理，磁路对称，因此中间的控制线圈产生的控制磁通在轭铁架中分布均匀，能提供四个工作气隙相同的磁通，保证力马达双向输出力相同。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

图2a为本发明的第一衔铁结构示意图。

图2b为本发明的第一衔铁、第一永磁体和第二永磁体装配示意图。

图2c为本发明的第一衔铁、第二衔铁、第一永磁体和第二永磁体装配示意图。

图3为本发明的轭铁结构示意图。

图4为衔铁部件和轭铁部件的装配示意图。

图5a是本发明的工作原理示意图，显示了控制线圈未通电时本发明内部的全部磁通状况。

图5b是图5a的p部的局部放大图。

图6a、图6b分别显示了控制线圈在两个通电方向时本发明设计的内部磁路。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述。

参照图1～图6b，本发明提出的基于混合气隙的高频直动式力马达，包括衔铁部件、轭铁部件、复位弹簧部件、前端盖8、第一外壳1和第二外壳9，所述衔铁部件包括第一衔铁11和第二衔铁12、推杆7、第一永磁体14和第二永磁体15，所述第一衔铁11长边的对角线上各凸出一个方向相反的90°的凸台，所述第一衔铁11上的凸台外侧各自额外添加有一个竖直的第一径向极靴16。所述第一衔铁11的两端各有一个长方形的凹槽，所述第一永磁体14、第二永磁体15均被径向充磁成n级和s极，所述第一衔铁11两端长方形的凹槽分别与第一永磁体14、第二永磁体15的n极面贴合，所述第一衔铁11的一对凸台被第一永磁体14、第二永磁体15磁化成n极端，所述第一衔铁11的中间部位开有一个圆弧形的槽。所述第一衔铁11、第二衔铁12结构完全相同，反向相互扣合。所述第二衔铁12两端长方形的凹槽分别与第一永磁体14、第二永磁体15的s极面贴合，所述第二衔铁12的一对凸台被第一永磁体14、第二永磁体15磁化成s极端。所述第一衔铁11、第二衔铁12长方形的凹槽内分别贴合第一永磁体14、第二永磁体15后，第一衔铁11的中间部位的圆弧形的槽与第二衔铁12中间部位的圆弧形的槽形成一个非完整的圆孔，所述的非完整的圆孔用于安装推杆7。

所述推杆7为一轴体，沿长轴方向即为轴向，沿半径方向即为径向，沿圆周方向即为周向。所述推杆7左端的两个轴肩分别卡在衔铁部件的左右两端，所述推杆7的中间部分安装在与第二外壳8过盈配合的直线轴承10内，所述推杆7的右端安装第一弹簧底座3与第二弹簧底座5，所述推杆7右端从第二弹簧底座限位环6右端凸出部分与伺服比例阀的阀芯直接连接。所述推杆7被限制径向运动，可以周向运动，但主要作用是做轴向直线运动。其他部件的轴向和径向判断皆以推杆轴为标准。

所述轭铁部件包括轭铁架2、控制线圈13，所述轭铁架2包括平行设置的第一臂21、第二臂22，两臂的中部的上端面之间跨设有连接桥路23，连接桥路23高于第一臂21和第二臂22所在的平面，所述控制线圈13缠绕在连接桥路23中部，所述轭铁架2第一臂21和第二臂22端部的相对侧凸出，形成四个相互对称的轴向极靴，所述轭铁架2第一臂21和第二臂22两端的极靴内部相对侧各自额外凸出两对上下对称的竖直第二径向极靴24。所述控制线圈13在空间中沿着轭铁架2的空间结构到四个轴向极靴的路径完全对称且相等，由于轭铁架2材料相同，长度相同，所以磁阻也完全相同，因此控制线圈13产生的控制磁通在磁路中分布均匀，到四个轴向极靴工作气隙处的磁通相等，输出相等的力。所述轭铁架2安装在第一外壳1的方形开口槽内。

所述衔铁部件安装在轭铁架2四个轴向极靴及额外的四个第二径向极靴24构成的内部空间内，如图4所示，此时第一衔铁11的一对凸台分别与轭铁架2的左端的上极靴、右端的下极靴组成第一工作气隙δ1、第三工作气隙δ3，第二衔铁12的一对凸台分别与轭铁架2的左端的下极靴、右端的上极靴组成第二工作气隙δ2、第四工作气隙δ4，所述第一工作气隙δ1、第二工作气隙δ2、第三工作气隙δ4、第四工作气隙δ4在未通电的情况下，大小完全相等。

如图5a所示，所述衔铁部件额外添加的四个第一径向极靴16与所述轭铁部件额外添加的四个第二径向极靴24一一对应形成径向气隙，该径向气隙在衔铁部件轴向运动时大小恒定不变。沿轴向方向上，衔铁部件的四个第一径向极靴16与轭铁部件四个第二径向极靴24恰好错位布置，轭铁部件上的第二径向极靴24更加靠近外侧，从而形成特殊改进磁路。

所述复位弹簧部件包括复位弹簧4、第一弹簧底座3、第二弹簧底座5和第二弹簧底座限位环6。所述第一弹簧底座3安装在第二外壳9的左端，所述第二弹簧底座5安装在前端盖8左端的环形凹槽内，所述第二弹簧底座限位环6安装在第二弹簧底座5的右端，所述复位弹簧4的左端安装在第一弹簧底座3，所述复位弹簧4的右端安装在第二弹簧底座5，所述第一弹簧底座3和所述第二弹簧底5座除了被第二外壳9和前端盖8限制，也被推杆7在第二外壳9部位内的两轴肩限制。

所述第一外壳1右端开口与所述第二外壳9左端密封连接，所述前端盖8的左端与所述第二外壳9的右端密封连接。

工作原理

如图4所示，第一衔铁11、第二衔铁12分别和轭铁架2形成四段工作气隙δ1、δ2、δ3、δ4，在控制线圈13未通电流时，工作气隙δ1、δ2、δ3和δ4大小完全相等。第一永磁体14、第二永磁体15产生的极化磁通在轭铁架和衔铁部件中的分布如图5a中所示，其中实线部分表示极化磁通主磁路在轭铁架2和第一衔铁11中的分布，其中虚线部分表示极化磁通主磁路在第二衔铁12中的分布。由于衔铁部件的四个第一径向极靴16与所述轭铁部件四个第二径向极靴24一一对应形成错位布置的径向气隙，从而从主磁路上分离出四条附加补偿磁路，随着衔铁部件轴向运动，该径向气隙两磁极面的距离大小恒定不变，但是第一径向极靴16和第二径向极靴24气隙磁极面正对重合部分和露出部分的相对大小会改变，相应气隙磁阻和磁通就会改变。如图5a放大部分所示，依据磁阻最小原理或磁路最短原则，弯曲的附加补偿磁路能同时提供轴向和径向两个方向上的电磁力，使其具有磁阻变小，磁路变短的趋势。若径向气隙磁极面重合部分面积增大，则磁路由弯曲变直，已经变短，磁阻变小，磁路再变短的趋势就会变小，所以轴向方向上的附加电磁力就减小，而径向方向上的电磁力无论多少都会因为力马达上径向气隙的对称布置相互抵消。该径向气隙产生的轴向方向上的附加电磁力将对四个轴向气隙的电磁力起补偿作用。轴向气隙的力-位移特性曲线是逐渐上升的，而径向气隙的力-位移特性曲线是逐渐下降的，最终合成的力-位移特性曲线在工作行程内近乎水平，从而实现电流-力-位移的线性转换。

如图6a、图6b所示，其中实线部分表示在轭铁架中的磁通分布，其中点划线部分表示在第一衔铁11中的磁通分布，其中虚线部分表示在第二衔铁12中的磁通分布。当控制线圈13不通电流的时，在工作气隙δ1、δ2、δ3、δ4内，只有第一永磁体14、第二永磁体15产生的极化磁通，衔铁部件在轭铁架2中四个轴向极靴和四个第二径向极靴24组成空间的中间位置，由于极化磁通在工作气隙δ1、δ2、δ3、δ4内分布量相同，且在径向气隙内分布量也相同，所以第一衔铁11、第二衔铁12所受的磁力吸力相同，此时高频直动式力马达的衔铁部件处于中位，没有力的输出。

令图5a所示的衔铁部件所在位置为初始位置，当控制线圈13通电时，由于轭铁架的空间对称磁路设计，控制线圈13产生的控制磁通在四处轴向气隙和四处径向气隙是相等的，所以轴向双向输出力的大小是完全相同的。当控制线圈13通入电流方向如图6a所示时，电流控制磁通与永磁极化磁通在工作气隙δ1、δ2、δ3、δ4内相互叠加，其中在工作气隙δ1、δ2内电流控制磁通与永磁极化磁通方向相反，磁通强度减弱，电磁力减小；在工作气隙δ3、δ4内电流控制磁通与永磁极化磁通方向相同，磁通强度增强，电磁力增大。此时衔铁部件受到轴向向下的推力，随着力产生的位移逐渐增大，第一弹簧底座3在推杆7轴肩作用下压缩复位弹簧4，复位弹簧4弹力逐渐增大，方向与衔铁推力相反，该推力与复位弹簧4弹力的合力逐渐减小为零，衔铁部件达到新的位置平衡，复位弹簧4处于压缩状态，其中工作气隙δ1、δ2的增加量相同，均增加至δ’1、δ’2,工作气隙δ3、δ4的减小量相同，均减小至δ’3、δ’4，此时衔铁部件在如图6a所示的位置。

在轴向向下的运动过程中，越是向下位移，气隙δ3、δ4就越小，磁通增强，此处电磁力就越大，而气隙δ1、δ2越大，磁通减弱，此处电磁力就越小。因此，在工作行程内，轴向极靴处总共受到轴向向下的电磁力是逐渐增大的。此时，逐渐向下位移的过程中，气隙δ3、δ4处附近的径向气隙磁极面重合面积增大，依据磁路最短原则，受到轴向向下的附加电磁力减小，而气隙δ1、δ2处附近的径向气隙磁极面重合面积减小，受到轴向向上的附加电磁力增大。在径向气隙的电磁力补偿下，随着位移的改变，总的电磁力大小近似不变，输入相应电流，就能产生相应的力和位移。

当控制线圈13断电时，在此时工作气隙δ’1、δ’2、δ’3、δ’4内的电流控制磁通消失，衔铁部件所受的推力消失，在复位弹簧4向上的弹力作用下，衔铁部件又回到原来的初始位置，工作气隙δ’1、δ’2、δ’3、δ’4的大小恢复到δ1、δ2、δ3、δ4。

当控制线圈13通入电流方向如图6b所示时，电流控制磁通与永磁极化磁通在工作气隙δ1、δ2、δ3、δ4内相互叠加。其中在工作气隙δ1、δ2内电流控制磁通与永磁极化磁通方向相同，磁通强度增强，电磁力增大；在工作气隙δ3、δ4内电流控制磁通与永磁极化磁通方向相反，磁通强度减弱，电磁力减小。此时衔铁部件受到轴向向上的推力，随着力产生的位移逐渐增大，第二弹簧底座5在推杆7轴肩作用下压缩复位弹簧4，复位弹簧4弹力逐渐增大，方向与衔铁推力相反，该推力与复位弹簧4弹力的合力逐渐减小为零，衔铁部件又达到新的位置平衡，复位弹簧4处于压缩状态，其中工作气隙δ1、δ2的减小量相同，均减小至δ”1、δ”2,工作气隙δ3、δ4的增加量相同，均增加至δ”3、δ”4，此时衔铁部件在如图6b所示的位置。

在轴向向上的运动过程中，越是向上位移，气隙δ3、δ4就越大，磁通减弱，此处电磁力就越小，而气隙δ1、δ2越小，磁通增强，此处电磁力就越大。因此，在工作行程内，轴向极靴处总共受到轴向向上的电磁力是逐渐增大的。此时，逐渐向上位移的过程中，气隙δ3、δ4处附近的径向气隙磁极面重合面积减小，依据磁路最短原则，受到轴向向下的附加电磁力增大，而气隙δ1、δ2处附近的径向气隙磁极面重合面积增大，受到轴向向上的附加电磁力减小。在径向气隙的电磁力补偿下，随着位移的改变，总的电磁力大小近似不变，输入相应电流，就能产生相应的力和位移。

当控制线圈13断电时，在此时工作气隙δ”1、δ”2、δ”3、δ”4内的电流控制磁通消失，衔铁部件所受的推力消失，在复位弹簧4向下的弹力作用下，衔铁部件再一次回到原来的初始位置，工作气隙δ”1、δ”3、δ”2、δ”4的大小恢复到δ1、δ2、δ3、δ4。

可以看到，在电流控制磁通和永磁极化磁通的相互叠加以及混合气隙的共同作用下，通过改变通电方式，输入相应电流，就能产生相应的力和位移，衔铁部件就会完成指定运动，从而实现对伺服比例阀的高频精确控制。

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。