CN101572159A - 耐高压低惯量旋转电磁铁 - Google Patents
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Abstract
一种耐高压低惯量旋转电磁铁，包括定子部件、转子部件、前端盖和后端盖，定子部件包括四个定子铁心、第一隔磁环、第二隔磁环、第一控制线圈、第二控制线圈和永磁体，定子铁心均呈半开口状布置在转子外圈，第一定子铁心和第二定子铁心的开口相对并形成第一空腔，第一隔磁环位于所述第一空腔内；第三定子铁心和第四定子铁心的开口相对并形成第二空腔，所述第二隔磁环位于所述第二空腔内；永磁***于所述第二定子铁心和第三定子铁心之间且被轴向磁化成N极和S极；转子的外圆周面上开有与各个定子铁心齿数相同的转子齿。本发明具有良好的耐高压特性，适应在湿式状态下工作。
Description
技术领域
本发明属于流体传动及控制领域中电液数字阀用的电-机械转换器，尤其涉及一种耐高压低惯量旋转电磁铁。
背景技术
阀用电-机械转换器按照衔铁工作腔是否有油液进入可以分为干式和湿式两种，后者与前者相比，由于其结构上的耐高压特性而允许衔铁工作时可以浸在油液中，从而具有散热好，摩擦小，换向和复位时冲击噪声小，工作平稳和寿命长的优点，因此应用日益广泛。
常规的电液数字阀用电-机械转换器为按照交流伺服方式控制的混合式步进电机，其控制线圈与转子工作腔之间并无密封耐高压结构，油液一旦进入工作腔，控制线圈将直接浸在油液中从而导致电机的损坏，因而无法在湿式状态下工作；此外，常规的混合式步进电机的转子为实心硅钢片叠压而成，其转动惯量大，响应速度较慢，从而限制了阀以至整个电液伺服***的频宽，因而对于需要快速动态响应的使用场合，并不适用。
发明内容
为了克服已有电液数字阀用电-机械转换器的无密封耐高压结构、无法在湿式状态下工作的不足，本发明提供一种具有良好的耐高压特性、适应湿式状态下工作的耐高压低惯量旋转电磁铁。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种耐高压低惯量旋转电磁铁，包括定子部件、转子部件、前端盖和后端盖，所述定子部件位于转子部件的外侧，所述转子部件包括转子和转子轴，转子安装在转子轴上，所述转子轴的两端分别安装在前端盖和后端盖上，所述定子部件包括第一定子铁心、第二定子铁心、第三定子铁心、第四定子铁心、第一隔磁环、第二隔磁环、第一控制线圈、第二控制线圈和永磁体，所述第一定子铁心、第二定子铁心、第三定子铁心、第四定子铁心均呈半开口状，所述第一定子铁心、第二定子铁心、第三定子铁心、第四定子铁心均布置在转子外圈，所述第一定子铁心和第二定子铁心的开口相对并形成第一空腔，第一隔磁环位于所述第一空腔内，所述第一控制线圈环绕在第一隔磁环上组成电流励磁的一相；所述第三定子铁心和第四定子铁心的开口相对并形成第二空腔，所述第二隔磁环位于所述第二空腔内，所述第二控制线圈环绕在第二隔磁环上组成电流励磁的另一相；所述永磁***于所述第二定子铁心和第三定子铁心之间且被轴向磁化成N极和S极；所述第一定子铁心、第二定子铁心、第三定子铁心、第四定子铁心的内圆周面均开有均匀分布的多个小齿，且四个定子铁心的齿数相同；所述第一定子铁心的齿沿顺时针方向超前第二定子铁心的齿1/2个齿距，第二定子铁心的齿沿顺时针方向落后第三定子铁心的齿1/4个齿距，第三定子铁心的齿沿顺时针方向超前第四定子铁心的齿1/2个齿距；所述转子的外圆周面上开有与各个定子铁心齿数相同的转子齿；所述第一隔磁环与所述第一定子铁心、第二定子铁心均密封连接；所述第二隔磁环与所述第三定子铁心、第四定子铁心均密封连接，所述第一定子铁心的侧壁与所述前端盖密封连接，所述第四定子铁心的侧壁与所述后端盖密封连接。
作为优选的一种方案，所述第一隔磁环的内面开有第一环形凹槽和第二环形凹槽，所述第一环形凹槽内装密封圈并与第一定子铁心接触；所述第二环形凹槽内装密封圈并与第二定子铁心接触；所述第二隔磁环的内面开有第三环形凹槽和第四环形凹槽，所述第三环形凹槽内装密封圈并与第三定子铁心接触；所述第四环形凹槽内装密封圈并与第四定子铁心接触；所述第二定子铁心的侧壁开有第五环形凹槽，所述第三定子铁心的侧壁开有第六环形凹槽，所述第五环形凹槽内装密封圈并与所述永磁体的侧壁接触，所述第六环形凹槽内装密封圈并与所述永磁体的另一侧壁接触；所述前端盖内壁开有第七环形凹槽，所述后端盖的内壁开有第八环形凹槽，所述第七环形凹槽内装密封圈并与所述第一定子铁心接触，所述第八环形凹槽内装密封圈并与所述第四定子铁心接触。
进一步，所述的转子为空心杯转子。
再进一步，所述的前端盖、后端盖、第一隔磁环、第二隔磁环和转子轴均为不导磁材料制成的非导磁体；所述第一定子铁心、第二定子铁心、第三定子铁心、第四定子铁心和转子均为软磁材料制成的导磁体。
所述的转子轴通过两套轴承支撑在前端盖和后端盖中。
本发明的有益效果主要表现在：1、采用了简单可靠的耐高压结构，使得***具备在湿式状态下工作的能力；2、转子转动惯量小，频响高，响应速度快，动态性能好；3、换向和复位时冲击和噪声小，工作稳定；4、控制线圈温升低，***寿命长；5、运动零部件摩擦小，润滑性能好，有利于长期保持精度。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图。
图2为本发明的空心杯转子结构示意图。
图3a(1)，3b(1)，3c(1)和3d(1)为图1的I-I向、II-II向、III-III向和IV-IV向剖视图，其中：
图3a(2)为图3a(1)的A部放大图；
图3b(2)为图3b(1)的B部放大图；
图3c(2)为图3c(1)的C部放大图；
图3d(2)为图3d(1)的D部放大图。
图4a，4b，4c，4d和4e为本发明的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图4e，一种耐高压低惯量旋转电磁铁，包括定子部件、转子部件、前端盖1和后端盖17，所述定子部件位于转子部件的外侧，所述转子部件包括转子和转子轴，转子安装在转子轴5上，所述转子轴5的两端分别安装在前端盖1和后端盖17上，所述定子部件包括第一定子铁心6、第二定子铁心11、第三定子铁心14、第四定子铁心15、第一隔磁环7、第二隔磁环21、第一控制线圈9、第二控制线圈20和永磁体23，所述第一定子铁心6、第二定子铁心11、第三定子铁心14、第四定子铁心15均呈半开口状，所述第一定子铁心6、第二定子铁心11、第三定子铁心14、第四定子铁心15均布置在转子外圈，所述第一定子铁心6和第二定子铁心11的开口相对并形成第一空腔，第一隔磁环7位于所述第一空腔内，所述第一控制线圈9环绕在第一隔磁环7上组成电流励磁的一相；所述第三定子铁心14和第四定子铁心15的开口相对并形成第二空腔，所述第二隔磁环21位于所述第二空腔内，所述第二控制线圈20环绕在第二隔磁环21上组成电流励磁的另一相；所述永磁体23位于所述第二定子铁心11和第三定子铁心14之间且被轴向磁化成N极和S极；所述第一定子铁心6、第二定子铁心11、第三定子铁心14、第四定子铁心15的内圆周面均开有均匀分布的多个小齿，且四个定子铁心的齿数相同；所述第一定子铁心的齿沿顺时针方向超前第二定子铁心的齿1/2个齿距，第二定子铁心的齿沿顺时针方向落后第三定子铁心的齿1/4个齿距，第三定子铁心的齿沿顺时针方向超前第四定子铁心的齿1/2个齿距；所述转子的外圆周面上开有与各个定子铁心齿数相同的转子齿；所述第一隔磁环7与所述第一定子铁心6、第二定子铁心11均密封连接；所述第二隔磁环21与所述第三定子铁心14、第四定子铁心15均密封连接，所述第一定子铁心6的侧壁与所述前端盖1密封连接，所述第四定子铁心15的侧壁与所述后端盖17密封连接。
本实施例以电磁铁定转子上均匀分布51个齿的结构为例，结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明包括第一定子铁心6、第二定子铁心11、第三定子铁心14、第四定子铁心15、第一隔磁环7、第二隔磁环21、第一控制线圈9、第二控制线圈20、永磁体23、空心杯转子3、转子轴5、前端盖1、后端盖17和密封圈2、8、10、12、13、16、19、22；第一定子铁心6和第二定子铁心11的开口相对并形成第一空腔，内置第一隔磁环7，第一控制线圈9环绕在第一隔磁环7上组成电流励磁的一相，第三定子铁心14和第四定子铁心15的开口相对并形成第二空腔，内置第二隔磁环21，第二控制线圈20环绕在第二隔磁环21上组成电流励磁的另一相，永磁体23被放置在第二定子铁心11和第三定子铁心14的中间且被轴向磁化成N极和S级。
当有油液进入转子工作腔时，第二定子铁心11和第三定子铁心14的外侧各开有一个环形槽用来放置密封圈12、13，前端盖1和后端盖17的内侧各开有一个环形槽用来放置密封圈2、16，以防止油液从电磁铁零部件之间的配合间隙中泄漏出来；第一隔磁环7、第二隔磁环21内孔各开有一对左右均布的环形槽，用来放置密封圈8、10、22、19，使得控制线圈9、20与充满油液的转子工作腔相隔离；上述的耐高压结构简单可靠，容易实现，从而使得***具有了在湿式状态下工作的能力。
第一定子铁心6和第四定子铁心15外表面开有导线引出孔，以方便将线圈9、20端引出与外界控制电路相连；第一定子铁心6、第二定子铁心11、第三定子铁心14和第四定子铁心15内圆周面开有数目相同且均匀分布的多个小齿，齿数越多，电磁铁的响应速度越高，动态性能越好，非线性误差越小，其多极式分级控制的特性越明显。
为减小转子的转动惯量，设计了空心杯转子3与转子轴5相配合，其外圆周面上开有多个和定子铁心齿数相同的转子齿，整个转子部件通过轴承4、18支撑在前端盖1和后端盖17中，可绕中心轴线转动。
为满足永磁极化磁通和电流控制磁通的要求，前端盖1、后端盖17、第一隔磁环7、第二隔磁环21和转子轴5均为非导磁材料制成的非导磁体，第一定子铁心6、第二定子铁心11、第三定子铁心14、第四定子铁心15和空心杯转子3均为软磁材料制成的良导磁体；为加强散热，降低第一控制线圈9、第二控制线圈20的温升，第一隔磁环7、第二隔磁环21的材料还应有良好的导热性能。
如图3a(1)、3a(2)、3b(1)、3b(2)、3c(1)、3c(2)、3d(1)、和3d(2)所示，为实现耐高压低惯量旋转电磁铁的连续转动，所述第一定子铁心的齿沿顺时针方向超前第二定子铁心的齿1/2个齿距，第二定子铁心的齿沿顺时针方向落后第三定子铁心的齿1/4个齿距，第三定子铁心的齿沿顺时针方向超前第四定子铁心的齿1/2个齿距。
工作原理：如图4a所示，第一定子铁心6、第二定子铁心11、第三定子铁心14、第四定子铁心15分别和空心杯转子3形成四段环形的工作气隙δ1、δ2、δ3和δ4，图中以虚线表示永磁体产生的极化磁场，以实线表示控制电流产生的磁场。当第二控制线圈20、第一控制线圈9不通电流的时候，工作气隙δ1、δ2、δ3和δ4内只有永磁体产生的极化磁场，由于各段定子分别错齿，因而整个永磁磁路的总磁导与转子位置无关，电磁铁不产生转矩；令图4a所示的转子位置为初始位置，当第二控制线圈20、第一控制线圈9通入如图4b所示⊙方向(沿纸面向外)的电流时，电流控制磁场与永磁极化磁场在工作气隙δ1、δ2、δ3和δ4中相互叠加，其中工作气隙δ1和δ4下控制磁场与永磁极化磁场方向相同，磁场强度增强；工作气隙δ2和δ3下电流磁场与永磁极化磁场方向相反，磁场强度减弱，此时空心杯转子3受到顺时针的力矩转过1/4转子齿距而处于图4b所示的位置；当第二控制线圈20通入
方向(沿纸面向里)的电流而第一控制线圈9的电流方向不变时，工作气隙δ1和δ3下磁场强度增强；工作气隙δ2和δ4下磁场强度减弱，此时空心杯转子3继续受到顺时针的力矩转过1/4转子齿距而处于图4c所示的位置；同理当第二控制线圈20和第一控制线圈9都通入
方向的电流时，工作气隙δ2和δ3下电磁场强度增强，工作气隙δ1和δ4下磁场强度减弱，此时空心杯转子3受到顺时针的力矩再转过1/4转子齿距而处于图4d所示的位置；当第二控制线圈20通入⊙方向电流而第一控制线圈9通入
方向电流时，工作气隙δ2和δ4下电磁场强度增强，工作气隙δ1和δ3下磁场强度减弱，此时空心杯转子3顺时针再转过1/4转子齿距而处于图4e所示的位置。可以看到，在电流控制磁场和永磁极化磁场的差动叠加下，每经过四种通电方式变化，转子就会转过一个齿距角。重复上述通电方式，转子就会以1/4转子齿距的步距顺时针方向连续旋转下去；改变通电方式，也可以实现转子的逆时针方向运动。
上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1、一种耐高压低惯量旋转电磁铁，包括定子部件、转子部件、前端盖和后端盖，所述定子部件位于转子部件的外侧，所述转子部件包括转子和转子轴，转子安装在转子轴上，所述转子轴的两端分别安装在前端盖和后端盖上，其特征在于：所述定子部件包括第一定子铁心、第二定子铁心、第三定子铁心、第四定子铁心、第一隔磁环、第二隔磁环、第一控制线圈、第二控制线圈和永磁体，所述第一定子铁心、第二定子铁心、第三定子铁心、第四定子铁心均呈半开口状，所述第一定子铁心、第二定子铁心、第三定子铁心、第四定子铁心均布置在转子外圈，所述第一定子铁心和第二定子铁心的开口相对并形成第一空腔，第一隔磁环位于所述第一空腔内，所述第一控制线圈环绕在第一隔磁环上组成电流励磁的一相；所述第三定子铁心和第四定子铁心的开口相对并形成第二空腔，所述第二隔磁环位于所述第二空腔内，所述第二控制线圈环绕在第二隔磁环上组成电流励磁的另一相；所述永磁***于所述第二定子铁心和第三定子铁心之间且被轴向磁化成N极和S极；所述第一定子铁心、第二定子铁心、第三定子铁心、第四定子铁心的内圆周面均开有均匀分布的多个小齿，且四个定子铁心的齿数相同；所述第一定子铁心的齿沿顺时针方向超前第二定子铁心的齿1/2个齿距，第二定子铁心的齿沿顺时针方向落后第三定子铁心的齿1/4个齿距，第三定子铁心的齿沿顺时针方向超前第四定子铁心的齿1/2个齿距；所述转子的外圆周面上开有与各个定子铁心齿数相同的转子齿；
所述第一隔磁环与所述第一定子铁心、第二定子铁心均密封连接；所述第二隔磁环与所述第三定子铁心、第四定子铁心均密封连接，所述第一定子铁心的侧壁与所述前端盖密封连接，所述第四定子铁心的侧壁与所述后端盖密封连接。
2、如权利要求1所述的耐高压低惯量旋转电磁铁，其特征在于：所述第一隔磁环的内面开有第一环形凹槽和第二环形凹槽，所述第一环形凹槽内装密封圈并与第一定子铁心接触；所述第二环形凹槽内装密封圈并与第二定子铁心接触；所述第二隔磁环的内面开有第三环形凹槽和第四环形凹槽，所述第三环形凹槽内装密封圈并与第三定子铁心接触；所述第四环形凹槽内装密封圈并与第四定子铁心接触；所述第二定子铁心的侧壁开有第五环形凹槽，所述第三定子铁心的侧壁开有第六环形凹槽，所述第五环形凹槽内装密封圈并与所述永磁体的侧壁接触，所述第六环形凹槽内装密封圈并与所述永磁体的另一侧壁接触；所述前端盖内壁开有第七环形凹槽，所述后端盖的内壁开有第八环形凹槽，所述第七环形凹槽内装密封圈并与所述第一定子铁心接触，所述第八环形凹槽内装密封圈并与所述第四定子铁心接触。
3、如权利要求1或2所述的耐高压低惯量旋转电磁铁，其特征在于：所述的转子为空心杯转子。
4、如权利要求3所述的耐高压低惯量旋转电磁铁，其特征在于：所述的前端盖、后端盖、第一隔磁环、第二隔磁环和转子轴均为不导磁材料制成的非导磁体；所述第一定子铁心、第二定子铁心、第三定子铁心、第四定子铁心和转子均为软磁材料制成的导磁体。
5、如权利要求3所述的耐高压低惯量旋转电磁铁，其特征在于：所述的转子轴通过两套轴承支撑在前端盖和后端盖中。
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