線圈外置式斜翼力矩馬達的製作方法
2023-06-04 05:56:16 1
本實用新型涉及電液伺服控制元件用的電-機械轉換器領域，尤其是一種二維電液伺服閥用的新型線圈外置式斜翼力矩馬達。
背景技術：
電液伺服控制技術自四十年代出現以來，便以其功率重量比高、輸出力(力矩)大和靜動態特性優異等顯著特點在機電傳動與控制技術中佔據了高端位置，重點應用於航空航天、軍用武器、船舶、大型電站、鋼鐵、材料試驗機和振動臺等各種關鍵場合，從而被視為各國工業的關鍵競爭力。而作為核心控制元件的電液伺服閥，則對整個電液伺服系統的性能起著決定性的影響作用，歷來是流體傳動及控制領域的研究熱點之一。
為了有效克服液動力從而獲得理想的靜動態特性，人們通常將伺服閥設計成導控式的多級結構。在眾多的結構創新之中，基於閥芯雙運動自由度的方法獨樹一幟，其基本思想如下：一般的滑閥閥芯具有徑向旋轉和軸向移動兩個自由度，且不相互幹涉，因而可以用這兩個自由度分別實現導控級和功率級的功能，考慮到滑閥閥口的面積梯度可以做的很大，且閥芯在閥孔中也較容易與端蓋等配合形成敏感腔，一般可用閥芯的旋轉運動實現導控級的功能，而用直線運動來實現功率級的開口。以上即為基於閥芯雙自由度的二維流量放大機構設計思想，最早由阮健等在哈爾濱工業大學攻讀博士學位時提出。
阮健等基於該原理提出了一種位置直接反饋式二維電液伺服閥，通過開設在閥套內表面的一對螺旋槽和閥芯外圓面的一對高低壓孔相交面積構成的液壓阻力半橋來控制敏感腔的壓力，當電-機械轉換器帶動閥芯轉動時，閥套上螺旋槽和閥芯上高低壓孔構成的弓型節流口面積差動變化，導致閥芯兩端液壓力失去平衡而軸向移動，在此過程中閥芯位移又反饋給螺旋槽和高低壓孔構成的弓型節流口面積，最終使其逐漸趨向於相等，此時閥芯停止移動並處於新的平衡位置。可以看到該閥的液壓放大部分自行閉環反饋，因此實質上為兩級的位置直接反饋式伺服閥。該閥的主要優點是將原本分立的導控級和功率級合二為一，集成於單個閥芯上，不但結構簡單、動態響應快，而且閥的抗汙染能力得到了極大的提高。然而該閥也存在問題：主要是其閥套上的空間螺旋槽結構一般需要三軸以上的進口電火花工具機才能加工，成本較高，且加工效率很低，同時由於其處於閥套內表面，加工精度難於保證，檢測時也較為困難。用於量大價廉的民用領域時就顯露出成本較高的問題。
為解決該問題，也有人提出一種力反饋式二維電液伺服閥(201510620866.7)，其主要特點是在傳統平翼力矩馬達的基礎上，將馬達銜鐵兩翼設計成軸對稱的斜面以此取代原先閥套內表面的螺旋槽結構，從而當銜鐵軸向移動時獲得反饋力矩，該馬達被稱為斜翼力矩馬達，其作為電-機械轉換器可直接驅動滑閥閥芯構成所謂的力反饋式二維電液伺服閥，與原來的位置反饋型二維閥相比，閥套上的感受通道窗口由原先的空間螺旋槽改為普通的直槽結構，對於加工設備要求不高，成本也較為低廉，該類二維閥非常適合在民用領域中推廣。然而，要使得該閥能夠正常工作，斜翼力矩馬達的輸出力矩(驅動和反饋力矩)必須足夠大到能夠克服旋轉時閥芯和閥套之間產生的粘性力矩和液壓卡緊力矩。因此，對於斜翼力矩馬達進行電磁結構優化設計，以進一步提升輸出力矩就顯得至關重要。
現有的斜翼力矩馬達採用線圈內置式結構，即兩個線圈分置纏繞於銜鐵上，這樣就帶來兩個問題，首先，線圈纏繞需要空間，其勢必要擠壓掉一部分銜鐵的有效氣隙面積(根據電磁學原理，有效氣隙面積定義為設計上允許的軛鐵極靴面和銜鐵翼面的最大正對面積，該面積越大，馬達的輸出力矩越大)；其次，理論和實驗研究均證明斜翼力矩馬達的反饋力矩大小與其斜翼傾角的正弦值成正比(「漿翼式力矩馬達反饋特性研究」，農業機械學報2017年第1期)，因此在設計過程中，應儘可能將斜翼傾角設計的較大以提升反饋力矩。傳統的線圈內置式結構由於線圈纏繞在銜鐵上，則線圈也需要設計的更大，以此來容納傾角變大的銜鐵，在這種情況下，雖然線圈纏繞體積增大，但匝數並沒有隨之增加，而勵磁磁勢大小與電流值和匝數乘積成正比，也就是說，線圈體積的增大和繞線用銅量的增加，並沒有換得勵磁磁勢的增加，這對於電磁結構參數的協同優化設計而言，顯然是不合理的。另外，線圈纏繞在銜鐵上，客觀上使得線圈無法密封，導致馬達無法做成溼式耐高壓的結構。
技術實現要素：
為了克服已有的斜翼力矩馬達存在的銜鐵有效窗口面積小、電磁結構參數難以協同優化設計的缺陷，本實用新型提供一種結構簡單、銜鐵有效窗口面積大、有利於實現主要結構和電磁參數之間協同優化設計的二維電液伺服閥用新型線圈外置式斜翼力矩馬達。
為了解決上述技術問題採用的技術方案為：
線圈外置式斜翼力矩馬達，安裝在力反饋式二維電液伺服閥的液壓放大機構的一端，其特徵在於：由左軛鐵1、右軛鐵5、銜鐵3、上永磁體7、下永磁體4、左線圈2和右線圈6等組成；左軛鐵1、右軛鐵5及銜鐵3均為導磁體；左軛鐵1和右軛鐵5為C字形結構，C字形結構包括上側、下側和側立柱形成的封閉側以及與封閉側相對的開口側，左軛鐵1和右軛鐵5的開口側相對，左軛鐵1和右軛鐵5的側立柱上分別纏繞左線圈2和右線圈6；左線圈2和右線圈6分別纏繞於左軛鐵1和右軛鐵5的立柱上，用來提供控制磁勢；銜鐵3連接液壓放大機構的閥芯19，銜鐵3連接彈簧杆20、21；
銜鐵3由水平設置的中心軸和兩側翼面構成，兩側翼面、左軛鐵1和右軛鐵5的極靴表面與水平面之間有傾斜角，以垂直於水平面、豎直向上的軸為Z軸，左右翼面呈以Z軸為中心軸的180°陣列特徵，其中左翼面圍繞Z軸旋轉180°後，剛好和右翼面重合；左軛鐵1和右軛鐵5的左右極靴表面也是呈以Z軸為中心軸的180°陣列特徵；左翼面插入到左軛鐵1的兩個極靴表面之間，三者相互平行並形成左上工作氣隙和左下工作氣隙；右翼面插入到右軛鐵5的兩個極靴表面之間，三者相互平行並形成右上工作氣隙和右下工作氣隙；四個工作氣隙的高度相同；四個工作氣隙高度的變化不僅受到銜鐵3轉動的影響，同時也受到閥芯19的軸向位移的影響，以此實現閥芯位移對力矩馬達的力反饋。
所述的左軛鐵1和右軛鐵5的開口側上下兩端分別加工出凹槽，上永磁體7、下永磁體4分別對稱放置於左軛鐵1和右軛鐵5的凹槽中，用來提供極化磁勢。
本實用新型的有益效果主要表現在：1.增加了銜鐵的有效氣隙面積。本實用新型提出的線圈外置式方案將原本纏繞於銜鐵上的勵磁線圈改為纏繞於C字形軛鐵外側的立柱上，以此實現勵磁線圈與銜鐵相分離，由此增加了銜鐵翼面面積的利用率，增大了有效氣隙面積，有利於提高馬達的輸出電磁力矩。2.參數調整方便，有利於實現主要結構和電磁參數之間的協同優化設計。斜翼力矩馬達的反饋力矩大小與其斜翼傾角大小成正比，因此在設計過程中，應儘可能的將斜翼傾角設計的較大以提升反饋力矩。傳統的線圈內置式結構由於線圈纏繞在銜鐵上，則線圈也需要設計的更大，以此來容納傾角變大的銜鐵，在這種情況下，雖然線圈纏繞體積增大，但匝數並沒有隨之增加，而勵磁磁勢大小與電流值和匝數乘積成正比，也就是說，線圈體積的增大和用銅量的增加，並沒有換得勵磁磁勢的增大，這對於電磁結構參數的協同優化設計而言，顯然是不合理的。而本實用新型提出的線圈外置式結構，由於線圈纏繞於銜鐵外側的立柱上，在增加斜翼傾角的同時也增加了立柱高度，由此便可以纏繞更多的勵磁線圈，從而增大了線圈匝數；另外，在本實用新型中，在軛鐵的C字形開口側上下兩端加工出凹槽以放置永磁體，如此則極化磁勢的大小也可以通過改變永磁體的高度而進行調節，可以看到，在線圈外置式方案中，其主要的性能參數調節非常方便，有利於實現結構參數與電磁參數之間的協同優化設計，從而有利於提升輸出力矩。
附圖說明
圖1為本實用新型的結構示意圖。
圖2為本實用新型的左軛鐵1的結構示意圖。
圖3為本實用新型的右軛鐵5的結構示意圖。
圖4為本實用新型的銜鐵3的結構示意圖。
圖5為本實用新型的上永磁體4的結構示意圖，下永磁體7的結構與其完全相同。
圖6為傳統線圈內置式斜翼力矩馬達的結構示意圖。
圖7為傳統線圈內置式斜翼力矩馬達的上軛鐵8的結構示意圖。
圖8為傳統線圈內置式斜翼力矩馬達的下軛鐵11的結構示意圖。
圖9為採用本實用新型作為電-機械轉換器的二維力反饋式電液伺服閥的結構示意圖。
圖10(a)、10(b)和10(c)為圖9中二維力反饋式電液伺服閥的工作原理示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。
參照圖1～圖5、圖9所示，一種新型線圈外置式斜翼力矩馬達，由左軛鐵1、右軛鐵5、銜鐵3、上永磁體7、下永磁體4、左線圈2和右線圈6等組成。左軛鐵1、右軛鐵5及銜鐵3均為導磁體；左軛鐵1和右軛鐵5為C字形結構，C字形結構包括上側、下側和側立柱形成的封閉側以及與封閉側相對的開口側，左軛鐵1和右軛鐵5的開口側相對，C字形結構的開口側上下兩端加工出凹槽用來放置永磁體。上永磁體7、下永磁體4分別對稱放置於左軛鐵1和右軛鐵5的凹槽中，用來提供極化磁勢；左線圈2和右線圈6分別纏繞於左軛鐵1和右軛鐵5的側立柱上，用來提供控制磁勢。在和液壓放大機構配合使用時，銜鐵3直接和閥芯19固連，在彈性元件如彈簧杆20、21等的作用下被保持在馬達的中位。整個力矩馬達裝配完畢後，再通過機械連接的方式固連到閥體的一端。
如圖2～圖5、圖9所示，與用作噴嘴擋板閥和射流管閥電-機械轉換器的普通平翼力矩馬達不同的是，對於斜翼式力矩馬達而言，銜鐵3由水平設置的中心軸和兩側翼面構成，兩側翼面、左軛鐵1和右軛鐵5的極靴表面與水平面之間有傾斜角，以垂直於水平面、豎直向上的軸為Z軸，左右翼面呈以Z軸為中心軸的180°陣列特徵，其中左翼面圍繞Z軸旋轉180°後，剛好和右翼面重合；左軛鐵1和右軛鐵5的左右極靴表面也是呈以Z軸為中心軸的180°陣列特徵；左翼面插入到左軛鐵1的兩個極靴表面之間，三者相互平行並形成左上工作氣隙和左下工作氣隙；右翼面插入到右軛鐵5的兩個極靴表面之間，三者相互平行並形成右上工作氣隙和右下工作氣隙；四個工作氣隙的高度相同；四個工作氣隙高度的變化不僅受到銜鐵3轉動的影響，同時也受到閥芯19的軸向位移的影響，以此實現閥芯位移對力矩馬達的力反饋。不通電時馬達無力矩輸出，銜鐵位於中位；當左線圈2、右線圈6通電時，永磁體7、4的極化磁勢和線圈的控制磁勢在四個工作氣隙下相互差動疊加，從而產生電磁力矩帶動銜鐵3旋轉，直到電磁力矩與彈性元件如彈簧杆20、21等的反力矩相互平衡，銜鐵3停止轉動，此時銜鐵3的輸出力矩與控制電流成正比，調節電流大小便可控制銜鐵3的旋轉角度。當銜鐵3有軸向位移時，銜鐵3和左右軛鐵1、5的極靴之間的氣隙高度又發生變化，使得作用在銜鐵3上的合力矩失去平衡，從而帶動銜鐵3和閥芯19在移動過程中同時作反向轉動，直到銜鐵3和左右軛鐵1、5的極靴之間的氣隙高度恢復到原值。在上述過程中，閥芯19的軸向位移是通過銜鐵3的氣隙變化來使得馬達輸出的電磁力矩發生變化，從而實現位移-力反饋的。
作為對比，傳統的線圈內置式斜翼力矩馬達如圖6～8所示，其由上軛鐵8、下軛鐵11、銜鐵10、第一永磁體9、第二永磁體15、第一線圈12、第二線圈13組成；上軛鐵8、下軛鐵11及銜鐵10均為導磁體；第一永磁體9、第二永磁體15分別對稱放置於上軛鐵和下軛鐵外側，用來提供極化磁勢；第一線圈12、第二線圈13分別對稱纏繞於上軛鐵和下軛鐵內側，用來提供控制磁勢；銜鐵10的翼面和上軛鐵8、下軛鐵11的極靴面的斜面設計，和線圈外置式的力矩馬達基本是相同的。
比較圖2和圖6可以看到，相比於原來的線圈內置式方案，本實用新型提出的線圈外置式結構有如下優點：1.增加了銜鐵的有效氣隙面積。圖2的線圈外置式方案將原本纏繞於銜鐵上的勵磁線圈改為纏繞於C字形軛鐵外側的立柱上，實現勵磁線圈與銜鐵相分離，由此增加了銜鐵翼面面積的利用率，增大了有效氣隙面積，有利於提高馬達的電磁力矩。2.參數調整方便，有利於實現結構參數和電磁參數之間的協同優化設計。斜翼力矩馬達的反饋力矩大小與其斜翼傾角大小成正比，因此在設計過程中，應儘可能的將斜翼傾角設計的較大以提升反饋力矩。圖6的線圈內置式結構，由於勵磁線圈纏繞在銜鐵上，則線圈也需要設計的更大，以此來容納傾角變大的銜鐵，在這種情況下，雖然線圈纏繞體積增大，但匝數並沒有隨之增加，而勵磁磁勢大小與電流值和匝數的乘積成正比，也就是說，線圈體積的增大和用銅量的增加，並沒有換得勵磁磁勢的增大，這對於電磁結構參數的協同優化設計而言，顯然是不合理的。而本實用新型提出的線圈外置式結構，由於線圈纏繞於銜鐵外側的立柱上，在增加斜翼傾角的同時，立柱高度隨之增加，便可以纏繞更多的勵磁線圈，增大了線圈匝數；另外，在本實用新型中，在C字形軛鐵的開口側上下兩端加工出凹槽以放置永磁體，如此則極化磁勢的大小也可以通過改變永磁體的高度而進行調節，可以看到，在線圈外置式方案中，其主要的性能參數調節非常方便，且有利於實現結構參數與電磁參數之間的協同優化設計。
需要特別指出的是，對於普通的平翼力矩馬達而言，由於不存在改變翼面角度這一說，因此也談不上傾角和勵磁線圈匝數之間的優化問題，所以線圈外置式的結構方案，對於斜翼力矩馬達這種特殊的、既有轉動也有平動的電-機械轉換器而言，具有極其重要的意義。
如圖9所示，與斜翼力矩馬達配合使用的液壓放大部分主要包括閥芯19和閥套18等。閥套18上開有P口、T口、A口、B口，其中P口連通系統壓力，T口連接油箱，A口和B口則作為控制油口。閥芯19與閥套18及其他零件(如後蓋板等)配合構成左敏感腔h，靠近左敏感腔h的閥芯19左端臺肩表面上開設有兩對軸對稱的高低壓槽a和b，閥杆上還開有過流孔c和d，高壓槽a、過流孔c和過流孔d通過開設於閥芯內部的過流通道相連接，低壓槽b則直接和回油口連接；閥芯19安裝於閥套18中，閥套18的內表面上開設有一對軸對稱的直槽感受通道f，直槽感受通道f的一端和敏感腔h相通，另一端與高低壓槽a和b構成阻力半橋，阻力半橋通過感受通道f控制敏感腔h內的壓力。
本實施例以外形尺寸32.4mm-71mm-38mm的線圈外置式斜翼力矩馬達和閥芯直徑為12.5mm的液壓放大結構組成的二維力反饋式電液伺服閥為例，結合附圖對本實用新型作進一步說明。
該二維力反饋式電液伺服閥的工作原理如下：如圖9所示，當液壓泵打開，斜翼式力矩馬達未通電時，銜鐵3在第一彈簧杆20和第二彈簧杆21支撐下處於中位，其兩側翼面的上下工作氣隙高度相等均為g，伺服閥的右腔k通過過流孔d，經小孔c和閥芯19桿內通道與進油P口(系統壓力)相通，右腔k的承壓面積為左敏感腔h面積的一半；左敏感腔h的壓力由開設在閥芯19左端臺肩上的一對高低壓槽a和b與開設於閥套18內表面的一對直槽感受通道f相交的兩個微小矩形窗串聯的液壓阻力半橋控制。在靜態時若不考慮摩擦力及液動力的影響，左敏感腔h的壓力為P口壓力(系統壓力)的一半，閥芯19軸向保持靜壓平衡，與直槽感受通道f相交的高低壓槽兩側的遮蓋面積相等。
如圖10(a)、10(b)和10(c)所示，當斜翼式力矩馬達通電時，銜鐵3驅動閥芯19作順時針的轉動(從左向右看)，直到輸出力矩和第一彈簧杆20和第二彈簧杆21的阻力矩相等的平衡位置，如圖10(a)所示；此時銜鐵3上下工作氣隙高度分別由g變化為g1和g2(g1>g，g2<g)。閥芯低壓槽b與直槽感受通道f構成的節流口面積增大，高壓槽a與感受通道f構成的節流口面積減小，敏感腔h內的壓力降低，閥芯19軸向失去平衡向左移動；由於馬達的斜翼結構，閥芯19的軸向移動導致銜鐵3的上下工作氣隙高度再度分別變化為g3和g4(g3g2)。如圖10(b)所示，此時作用在銜鐵3上的合力矩失去平衡，銜鐵3和閥芯19在軸向移動的同時作反向的轉動，直到感受通道f與高低壓槽之間的兩個節流口面積回復到相等，此時銜鐵3停止轉動，閥芯19停止軸向移動並處於一個新的平衡位置，其敏感腔h壓力又恢復為系統壓力的一半，如圖10(c)所示。在上述過程中，閥芯19的軸向位移通過銜鐵19的氣隙變化使銜鐵3輸出的電磁力矩發生變化來實現位移-力反饋，因此該閥實質上為兩級的力反饋式電液伺服閥。
上述具體實施方式用來解釋本實用新型，而不是對本實用新型進行限制，在本實用新型的精神和權利要求的保護範圍內，對本實用新型作出的任何修改和改變，都落入本實用新型的保護範圍。