单相斜翼式力矩马达 |
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| 申请号 | CN202311327827.9 | 申请日 | 2023-10-13 | 公开(公告)号 | CN117411265A | 公开(公告)日 | 2024-01-16 |
| 申请人 | 浙江工业大学; | 发明人 | 孟彬; 虞耀焕; 戴铭柱; | ||||
| 摘要 | 单相斜翼式 力 矩 马 达，包括 定子 ，定子内安装有 转子 ，转子上装有 输出轴 ，定子由第一定子、第二定子、第三定子和第四定子组成；转子沿周向均匀分布有N个转子斜齿，转子斜齿形成转子磁面，每个转子磁面与定子磁面形成工作气隙；第二定子和第三定子之间沿交界面开有对称的凹槽，相互反扣拼合形成环形槽，环形槽放置隔磁环，隔磁环上缠有控制线圈，形成控制磁通；第一定子和第二定子之间、第三定子和第四定子之间分别放置有第一 永磁体 与第二永磁体，形成极化磁通。本 发明 根据工作气隙磁通的加强和减弱，获得一个输出 扭矩 ，输出轴外接2D 阀 后可带动阀芯转动，2D阀高低压腔变化推动阀芯及力矩马达输出轴轴向位移，且本发明由于位移后工作气隙的变化，会生成一个反馈扭矩，使力矩马达自动复位，从而实现2D阀关闭。 | ||||||
| 权利要求 | 1.单相斜翼式力矩马达，包括定子，定子的前后两端分别装有前端盖(2)和后端盖(13)，定子内安装有转子(14)，转子(14)上装有输出轴(1)，定子、转子和输出轴(1)的轴心线共线；其特征在于：所述定子由同轴排列的第一定子(5)、第二定子(8)、第三定子(10)和第四定子(12)组成，每块定子环圆周均匀分布N个定子斜齿；第一定子(5)和第四定子(12)形状相同，第二定子(8)和第三定子(10)形状相同，定子斜齿齿面形成定子磁面；所述第一定子(5)、第二定子(8)、第三定子(10)和第四定子(12)的定子齿在周向上的分布情况均相同；第二定子(8)和定子(10)之间沿交界面开有对称的凹槽，拼合形成环形槽，环形槽放置隔磁环(7)，隔磁环(7)缠有控制线圈，形成控制磁通； |
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| 说明书全文 | 单相斜翼式力矩马达技术领域[0001] 本发明涉及液伺服控制元件用的电‑机械转换器领域，尤其涉及单相斜翼式力矩马达。 背景技术[0002] 电液伺服控制技术自四十年代出现以来，便以其功率重量比高、输出力(力矩)大和静动态特性优异等显著特点在机电传动与控制技术中占据了高端位置，重点应用于航空航天、军用武器、船舶、大型电站、钢铁、材料试验机和振动台等各种关键场合，从而被视为各国工业的关键竞争力。而作为核心控制元件的电液伺服阀，则对整个电液伺服系统的性能起着决定性的影响作用，历来是流体传动及控制领域的研究热点之一。 [0003] 为了有效克服液动力从而获得理想的静动态特性，人们通常将伺服阀设计成导控式的多级结构。在众多的结构创新之中，基于阀芯双运动自由度的方法独树一帜，其基本思想如下：一般的滑阀阀芯具有径向旋转和轴向移动两个自由度，且不相互干涉，因而可以用这两个自由度分别实现导控级和功率级的功能，考虑到滑阀阀口的面积梯度可以做的很大，且阀芯在阀孔中也较容易与端盖等配合形成敏感腔，一般可用阀芯的旋转运动实现导控级的功能，而用直线运动来实现功率级的开口。以上即为基于阀芯双自由度的二维流量放大机构设计思想,最早由阮健等在哈尔滨工业大学攻读博士学位时提出。 [0004] 阮健等基于该原理提出了一种位置直接反馈式二维电液伺服阀，通过开设在阀套内表面的一对螺旋槽和阀芯外圆面的一对高低压孔相交面积构成的液压阻力半桥来控制敏感腔的压力，当电‑机械转换器带动阀芯转动时，阀套上螺旋槽和阀芯上高低压孔构成的弓型节流口面积差动变化,导致阀芯两端液压力失去平衡而轴向移动，在此过程中阀芯位移又反馈给螺旋槽和高低压孔构成的弓型节流口面积，最终使其逐渐趋向于相等,此时阀芯停止移动并处于新的平衡位置。可以看到该阀的液压放大部分自行闭环反馈，因此实质上为两级的位置直接反馈式伺服阀。该阀的主要优点是将原本分立的导控级和功率级合二为一，集成于单个阀芯上，不但结构简单、动态响应快，而且阀的抗污染能力得到了极大的提高。然而该阀也存在问题：主要是其阀套上的空间螺旋槽结构一般需要三轴以上的进口电火花机床才能加工，成本较高，且加工效率很低，同时由于其处于阀套内表面,加工精度难于保证，检测时也较为困难。用于量大价廉的民用领域时就显露出成本较高的问题。 [0005] 为解决该问题，也有人提出一种力反馈式二维电液伺服阀(201510620866.8)，其主要特点是在传统平翼力矩马达的基础上，将马达衔铁两翼设计成轴对称的斜面以此取代原先阀套内表面的螺旋槽结构，从而当衔铁轴向移动时获得反馈力矩，该马达被称为斜翼力矩马达，其作为电‑机械转换器可直接驱动滑阀阀芯构成所谓的力反馈式二维电液伺服阀，与原来的位置反馈型二维阀相比，阀套上的感受通道窗口由原先的空间螺旋槽改为普通的直槽结构,对于加工设备要求不高，成本也较为低廉,该类二维阀非常适合在民用领域中推广。然而，要使得该阀能够正常工作，斜翼力矩马达的输出力矩(驱动和反馈力矩)必须足够大到能够克服旋转时阀芯和阀套之间产生的粘性力矩和液压卡紧力矩。因此，对于斜翼力矩马达进行电磁结构优化设计，以进一步提升输出力矩就显得至关重要。 [0006] 现有的斜翼力矩马达采用线圈内置式结构，即两个线圈分置缠绕于衔铁上，这样就带来两个问题，首先，线圈缠绕需要空间，其势必要挤压掉一部分衔铁的有效气隙面积(根据电磁学原理,有效气隙面积定义为设计上允许的轲铁极靴面和衔铁翼面的最大正对面积，该面积越大，马达的输出力矩越大)；其次,理论和实验研究均证明斜翼力矩马达的反馈力矩大小与其斜翼倾角的正弦值成正比(“浆翼式力矩马达反馈特性研究”，农业机械学报2018年第1期)，因此在设计过程中，应尽可能将斜翼倾角设计的较大以提升反馈力矩。传统的线圈内置式结构由于线圈缠绕在衔铁上，则线圈也需要设计的更大，以此来容纳倾角变大的衔铁,在这种情况下，虽然线圈缠绕体积增大，但匝数并没有随之增加，而励磁磁势大小与电流值和匝数乘积成正比，也就是说，线圈体积的增大和绕线用铜量的增加,并没有换得励磁磁势的增加，这对于电磁结构参数的协同优化设计而言，显然是不合理的。另外，线圈缠绕在衔铁上，客观上使得线圈无法密封，导致马达无法做成湿式耐高压的结构。 发明内容[0007] 为了克服已有的斜翼力矩马达存在的衔铁有效窗口面积小、输出扭矩分布不均的问题，本发明提供一种结构简单、衔铁有效窗口面积大、有利于实现输出更大扭矩的二维电液伺服阀用新型单相斜翼式力矩马达。 [0008] 本发明采用的技术方案是：单相斜翼式力矩马达，包括定子，定子的前后两端分别装有前端盖(2)和后端盖(13)，定子内安装有转子(14)，转子(14)上装有输出轴(1)，定子、转子和输出轴(1)的轴心线共线；所述定子由同轴排列的第一定子(5)、第二定子(8)、第三定子(10)和第四定子(12)组成，每块定子环圆周均匀分布N个定子斜齿；第一定子(5)和第四定子(12)形状相同，第二定子(8)和第三定子(10)形状相同，定子斜齿齿面形成定子磁面；所述第一定子(5)、第二定子(8)、第三定子(10)和第四定子(12)的定子齿在周向上的分布情况均相同；第二定子(8)和定子(10)之间沿交界面开有对称的凹槽，拼合形成环形槽，环形槽放置隔磁环(7)，隔磁环(7)缠有控制线圈，形成控制磁通； [0009] 第一定子(5)和第二定子(8)之间放置有第一永磁体(6)、第三定子(10)和第四定子(12)之间放置有第二永磁体(11)，形成极化磁通；所述转子(13)沿轴向分为四段，每段沿周向都均匀分布有6个转子齿，转子齿面形成转子磁面，每个转子磁面与定子磁面形成工作气隙。 [0010] 进一步，所述第一定子(5)、第二定子(8)、第三定子(10)和第四定子(12)环圆周均匀分布有6个定子磁面，每个定子磁面相隔60°，转子(14)分四个部分，每部分沿周向都均匀分布有6个转子磁面，每个转子磁面相隔60°。 [0011] 进一步，所述转子(14)采用空心杯，所述前端盖(2)、隔磁环(7)、后端盖(13)和输出轴(1)用不导磁的金属材料制成，转子(14)、第一定子(5)、第二定子(8)、第三定子(10)和第四定子(12)用高导磁率的金属软磁材料制成。 [0012] 本发明的有益效果是： [0013] (1)采用特殊的定子齿形状，将定子齿设计为斜齿形状。本发明通过设计定子齿的倾斜角度，来控制定子轴向移动后，工作气隙变化而产生的反馈力矩大小，确保力矩马达能实现自反馈而复位。 [0014] (2)采用轴向磁路对称结构。相比于非对称轴向磁路结构，无论顺时针还是逆时针旋转，其距角特性保持对称，保证了力矩马达的工作精度。 [0015] (3)响应速度快、输出力矩大。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。采用多磁面结构设计，有利于提升输出力矩。 [0017] 图1是本发明的结构示意图。 [0018] 图2是本发明的装配示意图。 [0019] 图3是本发明的转子结构示意图。 [0020] 图4是本发明的前端盖结构示意图。 [0021] 图5是本发明的转子的结构示意图。 [0022] 图6是本发明的第二定子结构示意图。 [0023] 图7是本发明的第三定子结构示意图。 [0024] 图8是本发明的第四定子结构示意图。 [0025] 图9是本发明的隔磁环结构示意图。 [0026] 图10是本发明的后端盖结构示意图。 [0027] 图11a是本发明的第二定子与转子的装配示意图。 [0028] 图11b是本发明的第三定子与转子的装配示意图。 [0029] 图12a是本发明的工作原理示意图，控制线圈不通电。 [0030] 图12b是第一定子与转子气隙处的磁路放大图。 [0031] 图12c是第二定子与转子气隙处的磁路放大图。 [0032] 图12d是第三定子与转子的气隙处的磁路放大图。 [0033] 图12e是第四定子与转子的气隙处的磁路放大图。 [0034] 图13是本发明的工作原理示意图，控制线圈通正向电流。 [0035] 图14是本发明的工作原理示意图，控制线圈通反向电流。 具体实施方式[0036] 下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0037] 在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0038] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0039] 参照附图，单相斜翼式力矩马达，包括定子，定子的前后两端分别装有前端盖2和后端盖13，定子内安装有转子14，转子14上装有输出轴1，定子、转子和输出轴1的轴心线共线；所述定子由同轴排列的第一定子5、第二定子8、第三定子10和第四定子12组成，每块定子环圆周均匀分布N个定子斜齿；第一定子5和第四定子12形状相同，第二定子8和第三定子10形状相同，定子斜齿齿面形成定子磁面；所述第一定子5、第二定子8、第三定子10和第四定子12的定子齿在周向上的分布情况均相同；第二定子8和定子10之间沿交界面开有对称的凹槽，拼合形成环形槽，环形槽放置隔磁环7，隔磁环7缠有控制线圈，形成控制磁通； [0040] 第一定子5和第二定子8之间放置有第一永磁体6、第三定子10和第四定子12之间放置有第二永磁体11，形成极化磁通；所述转子13沿轴向分为四段，每段沿周向都均匀分布有6个转子齿，转子齿面形成转子磁面，每个转子磁面与定子磁面形成工作气隙。 [0041] 本发明的实施例中，所述第一定子5、第二定子8、第三定子10和第四定子12环圆周均匀分布有6个定子磁面，每个定子磁面相隔60°，转子14分四个部分，每部分沿周向都均匀分布有6个转子磁面，每个转子磁面相隔60°。 [0042] 本发明的实施例中，所述转子14采用空心杯，所述前端盖2、隔磁环7、后端盖13和输出轴1用不导磁的金属材料制成，转子14、第一定子5、第二定子8、第三定子10和第四定子12用高导磁率的金属软磁材料制成。 [0043] 转子采用空心杯结构，减少转动惯量，有利于增加响应速度。 [0044] 如图12a所示，当控制线圈不通电时，气隙中只有永磁体(6)和永磁体(11)产生的极化磁通，并且各个工作气隙中的磁通相同，转子(14)与各定子的位置关系相同，转子(14)处于中位的初始位置。 [0045] 图12b～图12e分别为第一定子(5)和第二定子(8)之间、第三定子(10)和第四定子(12)的定子齿磁面分别与转子(14)的转子齿磁面所形成的工作气隙δ1、δ2、δ3和δ4处的磁路放大图，磁通主要由垂直于定子齿磁面与转子齿磁面的正向磁通和定子齿磁面与转子齿侧边之间的侧向磁通所组成。 [0046] 具体的工作原理为：当控制线圈9通入如图13所示的正向电流时，工作气隙δ1和工作气隙δ2处的磁通不受控制线圈励磁磁场的影响，气隙磁通保持不变。工作气隙δ2处控制线圈产生的控制磁通与永磁体(6)产生的极化磁通方向相同而相互叠加，气隙磁通增大；工作气隙δ3处控制线圈产生的控制磁通与永磁体11产生的极化磁通方向相反而相互抵消，气隙磁通减小，转子14受到电磁力矩作用逆时针旋转。随着转子的旋转，转子齿磁面与定子齿磁面的正对面积增加，即转子齿与定子齿逐渐对齐，正向磁通增加；转子转动使得2D阀高低压腔变化，带动转子轴向移动。但由于正向磁通的方向指向转子的圆心，所以其改变不影响转子的转动状态。转子的轴向移动，使得定子与转子左右两侧工作气隙的宽度变化，从而产生了一个反馈力矩，使得转子复位，2D阀芯回归中位。对转子的输出力矩的大小可以通过改变控制电流的大小来调节。 [0047] 当控制线圈9通入如图14所示的反向电流时，工作气隙δ1和工作气隙δ4处的磁通不受控制线圈励磁磁场的影响，气隙磁通保持不变。工作气隙δ2处控制线圈产生的控制磁通与永磁体(6)产生的极化磁通方向相反而相互抵消，气隙磁通减弱；工作气隙δ3处控制线圈产生的控制磁通与永磁体11产生的极化磁通方向相同而相互叠加，气隙磁通增加，转子14受到电磁力矩作用顺时针旋转。随着转子的旋转，转子齿磁面与定子齿磁面的正对面积增加，即转子齿与定子齿逐渐对齐，正向磁通增加；转子转动使得2D阀高低压腔变化，带动转子轴向移动。但由于正向磁通的方向指向转子的圆心，所以其改变不影响转子的转动状态。转子的轴向移动，使得定子与转子左右两侧工作气隙的宽度变化，从而产生了一个反馈力矩，使得转子复位，2D阀芯回归中位。对转子的输出力矩的大小可以通过改变控制电流的大小来调节。 [0048] 改变控制电流的方向，不影响单相斜翼式力矩马达的工作，只影响力矩马达的旋转方向。 [0049] 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。 |
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