基于永磁差动磁路的线性-高速复合式双向直动力马达

1.本发明涉及流体传动及控制领域中伺服比例阀用的线性-高速复合式电-机械转换元件，尤其涉及基于永磁差动磁路的线性-高速复合式双向直动力马达。


背景技术：

2.电-机械转换器，是将电能转化为机械能的一种驱动元件，它作为电液伺服阀的一个核心部件，是连接电气信号与机械动作之间的桥梁，是电液伺服阀的驱动元件。电-机械转换器的性能是与电液伺服阀的整体性能紧密相关的。因此，高性能电-机械转换器的研究开发一直是业界的一个重要的研究课题。工业技术的发展进步对电-机械转换器提出了更高的要求，主要有以下几点:结构简单、高频响、带载能力强、输出线性好以及易于维护等。
[0003]“线性”电-机械转换器一般指该电-机械转换器具有近似水平的力-位移特性曲线。比例电磁铁是其中最为典型的一种，其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，合成后可得到线性控制所要求的水平力-位移特性。作为电液控制系统元件的电-机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输给的电流信号转换成力或位移。比例电磁铁推力大、结构简单，对油质要求不高，维护方便，成本低廉，衔铁腔可做成耐高压结构，是电液控制系统中应用最广泛的电-机械转换器。比例电磁铁的特性及工作可靠性，对电液比例控制系统和元件具有十分重要的影响，是电液比例控制技术的关键部件之一。
[0004]
传统的比例电磁铁由于其体积较大，结构复杂，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，高速电磁铁的研制就显得尤为重要。
[0005]
高速电磁铁是指通过在电磁铁结构上的改进或材料应用上的创新，使得衔铁在电磁铁吸合过程中比在普通的电磁铁中更为高速的运动。高速电磁铁的特点就在于衔铁的高速吸合能力，而高速吸合能力的最突出的表现就是电磁铁吸合时间短，具有较高频响、输出力大等特点。但不具有线性电-机械转换器的水平力-位移特性，且工作行程较小。线性电-机械转换器由于结构上的特殊设计，使之形成特殊形式的磁路，从而使其获得水平的力-位移特性。
[0006]
然而在一些特定的液压系统中，由于系统要应对各种复杂的具体状况，传统的电-机械转换器己经不能满足这些要求，如某些液压系统对执行液压腔同时有比例输出与高速关闭的工作要求。研究新型的电-机械转换器对于提高系统的安全性，可靠性，以及高效性中有着不可估量的作用。


技术实现要素：

[0007]
为克服上述问题，本发明提供一种具有水平力-位移特性曲线和回程可高速吸合的基于永磁差动磁路的线性-高速复合式双向直动力马达。
[0008]
本发明采用的技术方案是：基于永磁差动磁路的线性-高速复合式双向直动力马达，包括衔铁部件、轭铁部件、前复位弹簧部件、后复位弹簧部件、前端盖、后端盖、第一外壳、第二外壳和第三外壳；
[0009]
所述衔铁部件包括第一衔铁和第二衔铁、前推杆、后推杆和永磁体；所述第一衔铁包括矩形面板，矩形面板长边的对角线上分别设有第一极靴、第二极靴，第一极靴的极面为矩形，第二极靴的极面为楔形；所述永磁体被径向充磁成n级和s极，第一衔铁的矩形面板与永磁体的n极面贴合，第一衔铁上的第一极靴和第二极靴被永磁体磁化成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；所述第二衔铁的矩形面板与永磁体的s极面贴合，所述第二衔铁上的第一极靴和第二极靴被永磁体磁化成s极端；所述第一衔铁与第二衔铁的背面分别连接有后推杆、前推杆，后推杆、前推杆的轴线平行于矩形面板的短边并经过矩形面板的几何中心点，后推杆、前推杆用于传递输出力；前推杆的中间部分安装在第二外壳上的第一直线轴承内，后推杆的中间部分安装在第三外壳上的第二直线轴承内；前推杆的前端连接前复位弹簧部件，后推杆的后端连接后复位弹簧部件；
[0010]
所述轭铁部件包括轭铁架、第一控制线圈和第二控制线圈，轭铁架分为高速端和线性端，所述高速端包括平行设置的第一臂和第二臂，第一臂和第二臂的后端连接有第一连接桥路，第一连接桥路呈竖直设置的矩形框架结构，第一臂和第二臂连接于第一连接桥路的中部位置，第一臂和第二臂的相对侧凸出形成对称的楔形轴向极靴；所述线性端包括平行设置的第三臂和第四臂，第三臂和第四臂的前端连接有第二连接桥路，第二连接桥路呈竖直设置的矩形框架结构，第三臂和第四臂连接于第二连接桥路的中部位置，第三臂和第四臂的相对侧凸出形成对称的矩形轴向极靴，两个矩形轴向极靴相互远离的一侧边缘和上边缘设有盆形齿，盆形齿的截面呈直角三角形且其直角三角形的直角边朝向矩形轴向极靴一侧；其中位于两个矩形轴向极靴相互远离的一侧边缘的盆形齿形成盆形径向极靴；第一连接桥路与第二连接桥路相背贴合，第一连接桥路与第二连接桥路的上端中部、下端中部分别安装有第一控制线圈、第二控制线圈；
[0011]
所述衔铁部件安装在高速端楔形轴向极靴、线性端盆形径向极靴以及第一连接桥路与第二连接桥路构成立体空间内部，此时第一衔铁上的第一极靴与线性端左端的矩形轴向极靴、盆形径向极靴组成轴向工作气隙δ1和径向工作气隙δ
′1；第二衔铁上的第一极靴与线性端右端的矩形轴向极靴、盆形径向极靴组成轴向工作气隙δ2和径向工作气隙δ
′2；第一衔铁上的第二极靴与高速端左端的楔形轴向极靴组成轴向工作气隙δ3，第二衔铁上的第二极靴与高速端右端的楔形轴向极靴组成轴向工作气隙δ4；当衔铁部件处于中位时，轴向工作气隙δ1、δ2大小相等，轴向工作气隙δ3、δ4大小相等；径向工作气隙δ
′1、δ
′2在衔铁部件轴向运动时大小恒定不变；所述衔铁架安装在第一外壳的方形开口槽内。
[0012]
优选地，所述前复位弹簧部件包括前复位弹簧、前第一弹簧底座、前第二弹簧底座和前第二弹簧底座限位环；所述前第一弹簧底座安装在第二外壳的前端，所述前第二弹簧底座安装在前端盖后端的环形凹槽内，所述前第二弹簧底座限位环安装在前第二弹簧底座的后端，所述前复位弹簧的后端安装在前第一弹簧底座，所述前复位弹簧的前端安装在前第二弹簧底座，所述前第一弹簧底座和所述前第二弹簧底座除了被第二外壳和前端盖限制，也被前推杆在第二外壳部位内的两轴肩限制；所述第一外壳前端开口与所述第二外壳后端密封连接，所述前端盖的后端与所述第二外壳的前端密封连接；
[0013]
所述后复位弹簧部件包括后复位弹簧、后第一弹簧底座、后第二弹簧底座和后第二弹簧底座限位环；所述后第一弹簧底座安装在第三外壳的后端，所述后第二弹簧底座安装在后端盖前端的环形凹槽内，所述后第二弹簧底座限位环安装在后第二弹簧底座的前端，所述后复位弹簧的前端安装在后第一弹簧底座，所述后复位弹簧的后端安装在后第二弹簧底座，所述后第一弹簧底座和所述后第二弹簧底座除了被第三外壳和后端盖限制，也被后推杆在第三外壳部位内的两轴肩限制；所述第一外壳后端开口与所述第三外壳前端密封连接，所述后端盖的前端与所述第三外壳的后端密封连接。
[0014]
优选地，所述前端盖、后端盖、前推杆、后推杆、前第一弹簧底座、后第一弹簧底座、前第二弹簧底座、后第二弹簧底座、第一外壳和第二外壳和第三外壳均为不导磁材料制成的非导磁体；所述轭铁架、第一衔铁和第二衔铁均为软磁材料制成的导磁体。
[0015]
本发明的有益效果是：
[0016]
1、复合双向直动力马达同时具有线性端和高速端。线性端，在轴向工作气隙的基础上，轭铁在轴向工作气隙侧面，分别额外添加盆形齿，形成特殊补偿磁路。在由轴向工作气隙得到的逐渐上升的力-位移特性曲线基础上，再补偿一条由径向工作气隙得到的逐渐下降的力-位移特性曲线。通过混合气隙和补偿齿的运用，会使其最终合成在工作行程内近乎水平的力-位移特性曲线、有较长的工作行程，从而实现电流-力-位移的线性转换。高速端仅具有轴向工作气隙，衔铁和轭铁极靴面被加工成角度为θ的楔形面，因此在初始工作位置时所产生的电磁力是平面极靴的1/sin2θ倍。并且随着衔铁的位移其输出力呈指数增长，达到回程的高速吸合工作性能。该马达同时具有线性电-机械转换器的工作特性和高速电磁铁的高速吸合特性，可适用于有线性位移输出和高速吸合工作性能要求的应用场合。
[0017]
2、基于永磁差动磁路工作，能耗低。最常用的线性电-机械转换器为比例电磁铁，其基本为单一的电励磁结构，为了得到理想的大推力需要通入较大电流，能耗高且发热严重。本发明提出的复合式力马达采用永磁差动磁路，以永磁体作为极化磁场，控制线圈作为磁场，在维持推力水平的前提下，有效的降低了能耗，减少了线圈发热量，提高了工作可靠性。
[0018]
3、结构简单，磁路紧凑，加工成本低。比例电磁铁最初由古老的螺管电磁铁脱胎而来，其继承了螺管电磁铁圆筒状定子衔铁的结构特征：定子组件则由多个零部件构成，圆筒状的衔铁运动惯量又大，结构上天然不适合作为线性-高速复合式电-机械转换元件使用。本发明提出的复合式力马达的爪极式衔铁组件和整体式桁架的定子结构的磁路紧凑、利用效率高，且整体而言定子和衔铁之间无特殊精度要求，结构简单，加工成本也低。
附图说明
[0019]
图1为本发明的结构原理示意图。
[0020]
图2a为本发明的衔铁结构示意图。
[0021]
图2b为本发明的衔铁、永磁体装配示意图。
[0022]
图2c为本发明的第一衔铁、第二衔铁、和永磁体装配示意图。
[0023]
图3a为本发明的轭铁结构示意图。
[0024]
图3b为本发明的外轮廓曲面状的盆形齿结构示意图。
[0025]
图3c为衔铁部件和轭铁部件的等轴侧装配示意图。
[0026]
图3d为衔铁部件和轭铁部件的前视装配示意图。
[0027]
图4为中位时衔铁部件和轭铁部件的装配示意图。
[0028]
图5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。
[0029]
图6a显示了控制线圈在通电后，力马达线性端起作用时本发明设计的内部磁路。
[0030]
图6b、图6c分别显示了力马达线性端在衔铁位移时的磁路局部放大图。
[0031]
图7a显示了控制线圈在通电后，力马达高速端起作用时本发明设计的内部磁路。
[0032]
图7b、图7c分别显示了力马达高速端在衔铁位移时的磁路局部放大图。
[0033]
附图标记说明：1、第一外壳；2、轭铁部件；3a、前第一弹簧底座；3b、后第一弹簧底座；4a、前复位弹簧；4b、后复位弹簧；5a、前第二弹簧底座；5b、后第二弹簧底座；6a、前推杆；6b、后推杆；7a、前端盖；7b、后端盖；8a、第二外壳；8b、第三外壳；9a、第一直线轴承；9b、第二直线轴承；10、第一衔铁；11、第二衔铁；12、永磁体；13、第一控制线圈；14、第二控制线圈；20、高速端；21第一臂、22第二臂；23、楔形轴向极靴；24、线性端；25、第三臂；26、第四臂；27、盆形径向极靴。
具体实施方式
[0034]
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。
[0035]
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。
[0036]
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。
[0037]
为了实现线性和高速的复合，本发明对力马达衔铁和轭铁的线性端和高速端进行结构设计。利用线性电-机械转换器的特性设计线性控制端，利用高速电磁铁的高频响特性设计高速端。进而实现控制端电流-力-位移的线性转换，和高速端的高速吸合。
[0038]
参照附图，基于永磁差动磁路的线性-高速复合式双向直动力马达，包括衔铁部件、轭铁部件、前复位弹簧部件、后复位弹簧部件、前端盖7a、后端盖7b、第一外壳1、第二外壳8a和第三外壳8b；
[0039]
所述衔铁部件包括第一衔铁10和第二衔铁11、前推杆6a、后推杆6b和永磁体12；所述第一衔铁10包括矩形面板，矩形面板长边的对角线上分别伸出爪状的第一极靴、第二极靴，第一极靴的极面为矩形，第二极靴的极面为楔形；所述永磁体12被径向充磁成n级和s
极，第一衔铁的矩形面板与永磁体的n极面贴合，第一衔铁10上的第一极靴和第二极靴被永磁体磁化成n极端；所述第一衔铁10、第二衔铁11结构完全相同，反向相互扣合；所述第二衔铁11的矩形面板与永磁体12的s极面贴合，所述第二衔铁11上的第一极靴和第二极靴被永磁体12磁化成s极端；所述第一衔铁10与第二衔铁11的背面分别连接有后推杆6b、前推杆6a，后推杆6b、前推杆6a的轴线平行于矩形面板的短边并经过矩形面板的几何中心点，后推杆6b、前推杆6a用于传递输出力；后推杆6b、前推杆6a为轴体，沿其长轴方向即为轴向，沿其半径方向即为径向；以前推杆6a所在方向为前，后推杆6b所在方向为后；
[0040]
前推杆6a的中间部分安装在第二外壳8a上的第一直线轴承9a内，后推杆6b的中间部分安装在第三外壳8b上的第二直线轴承9b内；前推杆6a的前端连接前复位弹簧部件，后推杆6b的后端连接后复位弹簧部件，后推杆6b的后端从后端盖7b露出的部分与伺服比例阀的阀芯直接连接；
[0041]
所述轭铁部件包括轭铁架、第一控制线圈13和第二控制线圈14，轭铁架分为高速端20和线性端24，所述高速端20包括平行设置的第一臂21和第二臂22，第一臂21和第二臂22的后端连接有第一连接桥路，第一连接桥路呈竖直设置的矩形框架结构，第一臂21和第二臂22连接于第一连接桥路的中部位置，第一臂21和第二臂22的相对侧凸出形成对称的楔形轴向极靴23；所述线性端24包括平行设置的第三臂25和第四臂26，第三臂25和第四臂26的前端连接有第二连接桥路，第二连接桥路呈竖直设置的矩形框架结构，第三臂25和第四臂26连接于第二连接桥路的中部位置，第三臂25和第四臂26的相对侧凸出形成对称的矩形轴向极靴，两个矩形轴向极靴相互远离的一侧边缘和上边缘设有盆形齿，盆形齿的截面呈直角三角形且其直角三角形的直角边朝向矩形轴向极靴一侧；其中位于两个矩形轴向极靴相互远离的一侧边缘的盆形齿形成盆形径向极靴27；第一连接桥路与第二连接桥路相背贴合，第一连接桥路与第二连接桥路的上端中部、下端中部分别安装有第一控制线圈13、第二控制线圈14；所述第一控制线圈13、第二控制线圈14沿着轭铁架到轭铁架上的四个轴向极靴的路径完全对称且相等。
[0042]
所述衔铁部件安装在高速端20、楔形轴向极靴23、线性端24、盆形径向极靴27以及第一连接桥路与第二连接桥路构成立体空间内部，此时第一衔铁10上的第一极靴与线性端24左端的矩形轴向极靴、盆形径向极靴27组成轴向工作气隙δ1和径向工作气隙δ
′1；第二衔铁11上的第一极靴与线性端24右端的矩形轴向极靴、盆形径向极靴27组成轴向工作气隙δ2和径向工作气隙δ
′2；第一衔铁10上的第二极靴与高速端20左端的楔形轴向极靴23组成轴向工作气隙δ3，第二衔铁11上的第二极靴与高速端20右端的楔形轴向极靴23组成轴向工作气隙δ4；当衔铁部件处于中位时，轴向工作气隙δ1、δ2大小相等，轴向工作气隙δ3、δ4大小相等；径向工作气隙δ
′1、δ
′2在衔铁部件轴向运动时大小恒定不变；如图5所示，在控制线圈未通电的情况下，在线性端24，永磁铁极化磁通一部分从轴向气隙通过一部分从径向气隙通过，形成特殊的改进磁路。在高速端20，永磁铁极化磁通仅从轴向气隙通过。在设计时改变轴向气隙和径向气隙的大小，使衔铁处于中位时所受轴向电磁力为0。由于力马达的对称布置，使衔铁所受的径向电磁力始终为零。所述衔铁架安装在第一外壳1的方形开口槽内。
[0043]
所述线性端24，衔铁部件的第一极靴的侧向极面与轭铁部件的盆形齿一一对应形成径向工作气隙δ
′1、δ
′2。沿轴向方向上，衔铁部件的轴向位移越大，第一极靴的侧向极面和
盆形齿的重叠面积就会越多，径向工作气隙所产生的影响就越大，径向工作气隙所产生的轴向力逐渐减小，轴向气隙所产生的轴向力逐渐增大，两者相互叠加，从而使其具有水平的力-位移特性。
[0044]
所述高速端20只具有楔形轴向极靴23，与衔铁上两个第二极靴组成轴向工作气隙δ3、δ4，随着衔铁的轴向位移，轴向气隙所产生的轴向力逐渐增大，且轴向力呈指数增大，从而使高速端具有高频响特性。当高速端单独使用时可以当做高速开关电磁铁。
[0045]
所述前复位弹簧部件包括前复位弹簧4a、前第一弹簧底座3a、前第二弹簧底座5a和前第二弹簧底座限位环；所述前第一弹簧底座3a安装在第二外壳8a的前端，所述前第二弹簧底座5a安装在前端盖7a后端的环形凹槽内，所述前第二弹簧底座限位环安装在前第二弹簧底座5a的后端，所述前复位弹簧4a的后端安装在前第一弹簧底座3a，所述前复位弹簧4a的前端安装在前第二弹簧底座5a，所述前第一弹簧底座3a和所述前第二弹簧底5a座除了被第二外壳8a和前端盖7a限制，也被前推杆6a在第二外壳8a部位内的两轴肩限制；所述第一外壳1前端开口与所述第二外壳8a后端密封连接，所述前端盖7a的后端与所述第二外壳8a的前端密封连接；
[0046]
所述后复位弹簧部件包括后复位弹簧4b、后第一弹簧底座3b、后第二弹簧底座5b和后第二弹簧底座限位环；所述后第一弹簧底座3b安装在第三外壳8b的后端，所述后第二弹簧底座5b安装在后端盖7b前端的环形凹槽内，所述后第二弹簧底座限位环安装在后第二弹簧底座5b的前端，所述后复位弹簧4b的前端安装在后第一弹簧底座3b，所述后复位弹簧4b的后端安装在后第二弹簧底座5b，所述后第一弹簧底座3b和所述后第二弹簧底5b座除了被第三外壳8b和后端盖7b限制，也被后推杆6b在第三外壳8b部位内的两轴肩限制；所述第一外壳1后端开口与所述第三外壳8b前端密封连接，所述后端盖7b的前端与所述第三外壳8b的后端密封连接。
[0047]
所述前端盖8b、后端盖8b、前推杆6a、后推杆6b、前第一弹簧底座3a、后第一弹簧底座3b、前第二弹簧底座5a、后第二弹簧底座5b、第一外壳1和第二外壳8a和第三外壳8b均为不导磁材料制成的非导磁体；所述轭铁架、第一衔铁10和第二衔铁11均为软磁材料制成的导磁体。
[0048]
当控制线圈13、14通入如图6a所示电流时，图中实线部分表示在轭铁架中的磁通分布，其中虚线部分表示在第一衔铁10和第二衔铁11中的磁通分布。在控制磁通和永磁体极化磁通相互作用下，线性端的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，高速端的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，力马达的线性端起作用，产生向后的轴向力。
[0049]
如图6b、图6c所示，在向后的运动过程中，随着衔铁位移，轴向工作气隙δ1、δ2逐渐减小，磁通增强，电磁力逐渐增大。因此，轴向工作气隙所产生的轴向力逐渐增大。同时，随着衔铁的不断位移，盆形齿与衔铁第一极靴的侧面重叠面积增大，依据磁路最短原则，会使径向工作气隙δ
′1、δ
′2产生的轴向力逐渐减小。因此对径向工作气隙δ
′1、δ
′2而言，其电磁力-位移特性为一下行曲线。如此在有效工作行程内，轴向工作气隙产生的电磁力逐渐增大，径向工作气隙产生的电磁力逐渐减小，在合理设计下，两者相加后可以得到近似水平的输出力-位移特性曲线。由于电磁力的作用，使衔铁发生位移进而压缩复位弹簧，弹簧所产生的回复力与衔铁位移相反。该回复力与电磁力的合力逐渐减小为零，衔铁部件在复位弹
簧的作用下达到新的平衡位置，实现电流-力-位移的线性转换。
[0050]
当控制线圈13、14通入如图7a所示电流时，图中实线部分表示在轭铁架中的磁通分布，其中虚线部分表示在第一衔铁10和第二衔铁11中的磁通分布。在控制磁通和永磁体极化磁通相互作用下，线性端的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，高速端的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，力马达的高速端起作用，产生向前的轴向力。
[0051]
如图7b、图7c所示，在向前的运动过程中，随着衔铁位移，轴向工作气隙δ3、δ4就越小，磁通增强，轴向电磁力就越大。在衔铁回程中，衔铁受到轴向向下的电磁力逐渐增大，且呈指数增大的趋势。由于这一特性，使衔铁部件能较快地完成回程运动，满足衔铁回程的高速吸合工作要求。
[0052]
可以看到，在力马达线性端和高速端的复合下，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，使工作行程具有线性特性、回程具有高速吸合特性，实现对伺服比例阀的精准控制。
[0053]
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。