單相直動插片式電磁鐵的製作方法
2023-05-03 20:05:51 1
專利名稱：單相直動插片式電磁鐵的製作方法
技術領域：
本發明屬於流體傳動及控制領域中電液高速開關閥用的電-機械轉換器，尤其涉及一種單相直動插片式電磁鐵。
背景技術：
在電液比例/伺服控制系統中，作為電液控制元件關鍵部件的電-機械轉換器由於工作行程較小，其性能主要追求電能與機械能轉換的實時性和精度，也就是要求在保證一定的輸出力/力矩的同時，儘量取得較高的動態響應。另外，在特殊環境下(如車載或者航空航天等應用場合)，還要求閥以及電-機械轉換機構在保證輸出功率的同時，能儘量減少外形尺寸和重量。電液高速開關閥的控制信號一般為一系列幅值相等、每一周期佔空比不同的脈衝信號，其電-機械轉換器主要是高速開關電磁鐵，脈衝高電平時電磁鐵的銜鐵在極限位置吸合，低電平時在機械彈簧力的作用下復位，以此對應高速開關閥的全開和全閉兩種工作狀態。對於要求快速性的高速開關電磁鐵而言，復位彈簧是關鍵部件之一，其剛度直接決定了銜鐵的返回時間和電磁鐵的固有頻率；然而彈簧作為機械零件，在使用過程中不可避免的會出現疲勞、斷裂以及腐蝕等，從而引起電磁鐵的可靠性問題，影響電磁鐵的使用壽命，嚴重時甚至導致電磁鐵失效；另外，在電磁鐵設計時還需要考慮彈簧的安裝方法和位置，從而使得其內部結構複雜，加工成本高。為了克服已有的直動式高速開關電磁鐵的結構複雜、加工成本高、可靠性差、使用壽命短的不足，相關技術人員提出了一種無彈簧直動式高速開關電磁鐵的結構方案並獲得了發明專利授權，但由於該電磁鐵為整體式結構，當工作在電流瞬態變化的環境中時，不可避免的存在著電渦流的問題。電渦流使得電磁鐵的無用損耗及溫升增高；電渦流還對控制繞組內電流的變化起到一定的阻礙作用，影響了電磁鐵的動態性能；另外，其定轉子整體式結構的特點也決定了必須要使用整塊金屬作為鐵芯的軟磁材料，從而使得重量居高不下，影響了整機的功率重量比。
發明內容
本發明要克服已有的無彈簧直動式高速開關電磁鐵的整體式結構帶來電渦流大、損耗和發熱嚴重、功率重量比低的缺點，提供一種直動單相插片式電磁鐵，可大大降低渦流，從而獲得較低的溫升、優良的動態特性以及高功率重量比，非常適合作為車載或者航空航天等應用場合電液高速開關閥的電-機械轉換元件。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:一種單相直動插片式電磁鐵，其主要結構包括銜鐵部件、定子部件、殼體、前端蓋和後端蓋。所述定子部分包括定子左保持架、定子左插片、定子右保持架、定子右插片、線圈保持架、控制線圈和圓環狀永磁體；定子左保持架與定子右保持架均通過高強度的增強尼龍材料注塑成型，可以在保持一定的強度和剛度的同時，大大減輕整機重量，有利於提高整機的功率重量比；定子左保持架上徑向分布有等間距的插槽用於插入定子左插片，定子左插片為採用矽鋼材料冷衝壓成型的扁平匚形狀；定子右保持架上同樣沿徑向分布有等間距的插槽用於插入定子右插片，定子右插片則為採用矽鋼材料冷衝壓成型的扁平條狀；定子左插片和定子右插片均以稍微過盈的配合插入定子左保持架和定子右保持架的插槽以構成產生電磁力所必需的定子凸齒結構；定子左保持架呈中空的半圓柱形狀，其內側柱面掏空，形成半環狀空腔，所述線圈保持架位於兩個相同形狀的定子左保持架相互扣合所形成的空腔內，控制線圈環繞其上形成電流勵磁相；所述環狀永磁體位於定子左保持架與定子右保持架之間且被軸向磁化成N極和S級。所述銜鐵部件包括空心杯式銜鐵保持架、銜鐵插片與推桿三部分。銜鐵保持架為高強度的增強尼龍材料注塑成型，通過將銜鐵保持架設計成空心杯狀，能夠有效減少銜鐵的運動慣量，提高其動態響應。空心杯銜鐵保持架靠近後端蓋一側設有軸孔，推桿一端與空心杯銜鐵保持架的軸孔呈過盈連接，其另一端通過直線軸承支撐在前端蓋上。推桿用於與閥芯聯動，它可滑動安裝在前端蓋上。在空心杯銜鐵保持架的徑向外圓柱面上開有若干均勻分布的插槽用於插入銜鐵插片，銜鐵插片為採用矽鋼材料冷衝壓成型的扁平條狀，其上開有呈非等間隔分布且齒寬相等的三個矩形齒；為實現電磁鐵的正常工作，銜鐵插片上三個矩形齒的齒寬需要和定子左插片下的兩個極身寬度(齒寬)及定子右插片的極身寬度(齒寬)相等，統一記為P1 ;定子左插片靠近永磁體一極的極身寬度與定子右插片的極身寬度，以及環狀永磁體的軸向尺寸三者之和S1和銜鐵插片上靠近後端蓋的兩個矩形齒之間的距離S2需要滿足關係式S1=SfP1A ;整個定子部分的有效部分長度L1與銜鐵插片的長度L2之間需要滿足關係式L2=U+P1/^需要說明的是，定子左插片及定子右插片上的極身寬度可以與銜鐵插片上大齒的齒寬不相等，相互的位置關係也未必需要如前述所述，然而採用前述的位置關係可以較好的滿足電流控制磁場和永磁極化磁場差動疊加的要求，使得電磁鐵獲得較大的推力和較高的動態響應，因而應當作為優選的方案。殼體、前端蓋和後端蓋將定子部件沿軸向約束固定。殼體通過螺栓與前端蓋、後端蓋相連接。為進一步減輕整機重量，殼體和前後端蓋也可以採用高強度的增強尼龍材料注塑成型。本發明的有益效果主要表現在:1、佔整機絕大部分體積的定子和銜鐵保持架均為增強尼龍材料經注塑成型，在保證一定的結構強度和剛度的同時大大減輕了重量，有利於提高整機的功率重量比；2、定子和銜鐵採用插片式結構，可有效的減輕電磁鐵的渦流損耗，降低整機的溫升，緩解發熱問題，同時也使得前述尼龍材料定子及銜鐵保持架的應用成為可能；3、定子和銜鐵的插片式結構，在降低電磁鐵渦流的同時提升了其動態性能。
圖1為本發明的結構原理剖視圖；圖2為本發明的結構尺寸示意圖3為本發明的定子右保持架結構示意圖；圖4為本發明的定子右插片結構示意圖；圖5為本發明的銜鐵保持架結構示意圖；圖6為本發明的銜鐵插片結構示意圖；圖7為本發明的定子左保持架結構示意圖；圖8為本發明的定子左插片結構示意圖；圖9_a為本發明的銜鐵處於不通電流狀態的工作原理示意圖。圖9_b為本發明的銜鐵處於一個通電平衡狀態(控制線圈通正向電流)的工作原理示意圖。圖9-c為本發明的銜鐵處於另一個通電平衡狀態(控制線圈通負向電流)的工作原
理示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述。參照圖1 圖9-c，一種單相直動插片式電磁鐵，其主要結構包括銜鐵部件、定子部件、殼體、前端蓋和後端蓋。所述定子部分包括定子左保持架12、定子左插片11、定子右保持架4、定子右插片14、線圈保持架13、控制線圈7和圓環狀永磁體5 ;定子左保持架12與定子右保持架4均通過高強度的增強尼龍材料注塑成型，可以在保持一定的強度和剛度的同時，大大減輕整機重量，有利於提高整機的功率重量比；定子左保持架12上徑向分布有等間距的插槽用於插入定子左插片11，定子左插片11為採用矽鋼材料冷衝壓成型的扁平匚形狀；定子右保持架4上同樣沿徑向分布有等間距的插槽用於插入定子右插片14，定子右插片14則為採用矽鋼材料冷衝壓成型的扁平條狀；定子左插片11和定子右插片14均以稍微過盈的配合插入定子左保持架12和定子右保持架4的插槽以構成產生電磁力所必需的定子凸齒結構；定子左保持架12呈中空的半圓柱形狀，其內側柱面掏空，形成半環狀空腔，所述線圈保持架13位於兩個相同形狀的定子左保持架12相互扣合所形成的空腔內，控制線圈7環繞其上形成電流勵磁相；所述環狀永磁體5位於定子左保持架12與定子右保持架4之間且被軸向磁化成N極和S級。所述銜鐵部件包括空心杯式銜鐵保持架3、銜鐵插片2與推桿10三部分。銜鐵保持架3為高強度的增強尼龍材料注塑成型，通過將銜鐵保持架3設計成空心杯狀，能夠有效減少銜鐵的運動慣量，提高其動態響應。空心杯銜鐵保持架3靠近後端蓋I 一側設有軸孔，推桿10 —端與空心杯銜鐵保持架3的軸孔呈過盈連接，其另一端通過直線軸承9支撐在前端蓋8上。推桿10用於與閥芯聯動，它可滑動安裝在前端蓋上。在空心杯銜鐵保持架3的徑向外圓柱面上開有若干均勻分布的插槽用於插入銜鐵插片2，銜鐵插片2為採用矽鋼材料冷衝壓成型的扁平條狀，其上開有呈非等間隔分布且齒寬相等的三個矩形齒；為實現電磁鐵的正常工作，銜鐵插片2上三個矩形齒的齒寬需要和定子左插片11下的兩個極身寬度(齒寬)及定子右插片14的極身寬度(齒寬)相等，統一記為P1 ;定子左插片11靠近永磁體5 —極的極身寬度與定子右插片14的極身寬度，以及環狀永磁體5的軸向尺寸三者之和S1和銜鐵插片2上靠近後端蓋I的兩個矩形齒之間的距離S2需要滿足關係式S1=SfP1A ;整個定子部分的有效部分長度L1與銜鐵插片2的長度L2之間需要滿足關係式L2=LjP1Z^0需要說明的是，定子左插片11及定子右插片14上的極身寬度可以與銜鐵插片2上大齒的齒寬不相等，相互的位置關係也未必需要如前述所述，然而採用前述的位置關係可以較好的滿足電流控制磁場和永磁極化磁場差動疊加的要求，使得電磁鐵獲得較大的推力和較高的動態響應，因而應當作為優選的方案。殼體6、前端蓋8和後端蓋I將定子部件沿軸向約束固定。殼體6通過螺栓與前端蓋8、後端蓋I相連接。為進一步減輕整機重量，殼體和前後端蓋也可以採用高強度的增強尼龍材料注塑成型。本發明實施方案以電磁鐵銜鐵插片上不均勻分布三個齒寬相同的矩形齒結構為例，結合附圖對本發明作進一步說明。工作原理:如圖9-a所示，定子左插片11、定子右插片14和銜鐵插片2從左到右形成三段有效工作氣隙；當控制線圈7不通電流的時候，各極下工作氣隙內只有永磁體產生的極化磁場，由於整個永磁磁路並不對稱，其總磁導與銜鐵位置有關，電磁鐵將會自動停留在磁路總磁導最大的位置，即初始平衡位置，此時定子右插片14的極身位置與銜鐵插片2最右邊的矩形齒重合，即在工作氣隙13處定子的矩形齒與銜鐵的矩形齒對齊；而定子左插片11兩個極的極身位置分別與銜鐵插片2另外兩個矩形齒錯開半個齒寬(P/2)的距離，電磁鐵停留於初始平衡位置；當控制線圈7通入如圖9-b沿紙面向裡的電流時，由於永磁體磁阻較大，則電流控制磁場與永磁極化磁場只是在定子左插片11與銜鐵插片2形成的工作氣隙€工和ξ 2中相互疊加，其中在工作氣隙ξ 2下控制磁場與永磁極化磁場方向相同，磁場強度相互疊加而增強；在工作氣隙I工下控制磁場與永磁極化磁場方向相反，磁場強度相互抵消而減弱，適當控制控制線圈7的電流強度，可以使得工作氣隙ξ !磁場接近於零，則此時銜鐵受到電磁推力而向左移動直至其本身所受合力為零，此時銜鐵處於通電平衡位置；同樣地，當控制線圈7通入如圖9-c所示沿紙面向外的電流時，工作氣隙ξ !下控制磁場與永磁極化磁場方向相同，磁場強度 相互疊加而增強；在工作氣隙ξ 2下電流磁場與永磁極化磁場方向相反，磁場強度相互抵消而減弱，適當控制控制線圈7的電流強度，可以使得工作氣隙€2磁場接近於零。此時銜鐵受到電磁推力由初始平衡位置向右移動直至其本身所受合力為零，銜鐵處於另一個通電平衡位置；當控制線圈7斷電，電磁鐵在永磁體極化磁場的作用下回到如圖9-a所示的初始平衡位置。可以看到，只要控制線圈7的電流通斷，就可以控制電磁鐵的快速動作，而適當調整電磁鐵本身的結構參數，可以控制銜鐵移動距離的長短，從而實現數字開關閥的開和閉兩種工作狀態。上述具體實施方式
用來解釋本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種單相直動插片式電磁鐵，包括銜鐵部件、定子部件、殼體、前端蓋和後端蓋，其特徵在於:所述定子部分包括定子左保持架、定子左插片、定子右保持架、定子右插片、線圈保持架、控制線圈和圓環狀永磁體；定子左保持架與定子右保持架均通過高強度的增強尼龍材料注塑成型；定子左保持架上徑向分布有等間距的插槽用於插入定子左插片，定子左插片為採用矽鋼材料冷衝壓成型的扁平匚形狀；定子右保持架上同樣沿徑向分布有等間距的插槽用於插入定子右插片，定子右插片則為採用矽鋼材料冷衝壓成型的扁平條狀；定子左插片和定子右插片均以稍微過盈的配合插入定子左保持架和定子右保持架的插槽以構成產生電磁力所必需的定子凸齒結構；定子左保持架呈中空的半圓柱形狀，其內側柱面掏空，形成半環狀空腔，所述線圈保持架位於兩個相同形狀的定子左保持架相互扣合所形成的空腔內，控制線圈環繞其上形成電流勵磁相；所述環狀永磁體位於定子左保持架與定子右保持架之間且被軸向磁化成N極和S級； 所述銜鐵部件包括空心杯式銜鐵保持架、銜鐵插片與推桿三部分。銜鐵保持架為高強度的增強尼龍材料注塑成型，通過將銜鐵保持架設計成空心杯狀；空心杯銜鐵保持架靠近後端蓋一側設有軸孔，推桿一端與空心杯銜鐵保持架的軸孔呈過盈連接，所述的推桿另一端通過直線軸承支撐在前端蓋上；所述的推桿與閥芯聯動，所述的推桿可滑動安裝在前端蓋上； 在空心杯銜鐵保持架的徑向外圓柱面上開有若干均勻分布的插槽用於插入銜鐵插片，銜鐵插片為採用矽鋼材料冷衝壓成型的扁平條狀，其上開有呈非等間隔分布且齒寬相等的三個矩形齒； 殼體、前端蓋和後端蓋將定子部件沿軸向約束固定，殼體通過螺栓與前端蓋、後端蓋相連接。
2.如權利要求1所述的電磁鐵，其特徵在於:銜鐵插片上三個矩形齒的齒寬需要和定子左插片下的兩個極身寬度及定子右插片的極身寬度相等，統一記為P1 ;定子左插片靠近永磁體一極的極身寬度與定子右插片的極身寬度，以及環狀永磁體的軸向尺寸三者之和S1和銜鐵插片上靠近後端蓋的兩個矩形齒之間的距離S2需要滿足關係式S1=SfP1A ;整個定子部分的有效部分長度L1與銜鐵插片`的長度L2之間需要滿足關係式L2=LdP1Z^tj
3.如權利要求2所述的電磁鐵，其特徵在於:所述的殼體和前後端蓋採用高強度的增強尼龍材料注塑成型。
全文摘要
一種單相直動插片式電磁鐵，包括銜鐵部件、定子部件、殼體、前端蓋和後端蓋，所述定子部分包括定子左保持架、定子左插片、定子右保持架、定子右插片、線圈保持架、控制線圈和圓環狀永磁體；所述銜鐵部件包括空心杯式銜鐵保持架、銜鐵插片與推桿三部分；在空心杯銜鐵保持架的徑向外圓柱面上開有若干均勻分布的插槽用於插入銜鐵插片，銜鐵插片為採用矽鋼材料冷衝壓成型的扁平條狀，其上開有呈非等間隔分布且齒寬相等的三個矩形齒；殼體、前端蓋和後端蓋將定子部件沿軸向約束固定，殼體通過螺栓與前端蓋、後端蓋相連接。
文檔編號H02K1/14GK103107608SQ201310032870
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月25日 優先權日2013年1月25日
發明者林瓊, 阮健, 孟彬, 左強 申請人:浙江工業大學