CN111835175A - 高频直动式力马达 - Google Patents

Abstract

一种高频直动式力马达，包括衔铁部件、轭铁部件、复位弹簧部件，第一衔铁长边的对角线上各凸出一个方向相反的90°的凸台，第一衔铁的两端各有一个长方形的凹槽，第一永磁体、第二永磁体均被径向充磁成N级和S极，第一衔铁两端长方形的凹槽内分别与第一永磁体、第二永磁体的N极面贴合，第一衔铁的一对凸台被磁化成N极端；第一衔铁、第二衔铁结构完全相同，反向相互扣合；第二衔铁的一对凸台被磁化成S极端；第一衔铁、第二衔铁夹紧推杆左端，推杆的右端连接复位弹簧部件和伺服比例阀的阀芯；第一控制线圈和第二控制线圈安装在轭铁架的环形槽内，衔铁部件安装在轭铁架内，第一衔铁的一对凸台、第二衔铁的一对凸台分别与轭铁架形成四个工作气隙。

Description

高频直动式力马达

技术领域

本发明属于流体传动及控制领域中伺服比例阀用的电-机械转换器，尤其涉及一种高频直动式力马达。

技术背景

阀用电-机械转换器按照可动件的形式可分为直线位移式和角位移式两种，按可动件结构形式可分为动铁式和动圈式两种，动铁式力矩马达与动圈式力矩马达相比，具有工作效率高、体积小、重量轻的优点，因此应用日益广泛。

传统的比例电磁铁的功能是将控制放大器输出的电流信号成比例地转换成力或位移，但是由于其体积较大，且只能给伺服比例阀提供单向驱动力，因此伺服比例阀需要采用两个比例电磁铁来实现换向，这又使得伺服比例阀的质量增加，因此响应速度较慢,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

为了实现伺服比例阀用力马达线性方向往复力的输出，使力马达可以输出推力和拉力，本发明提供一种高频响应、双螺旋磁路拓扑结构的力马达。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高频直动式力马达，包括衔铁部件、轭铁部件、复位弹簧部件、前端盖、第一外壳和第二外壳，所述衔铁部件包括第一衔铁和第二衔铁、推杆、第一永磁体和第二永磁体，所述第一衔铁长边的对角线上各凸出一个方向相反的90°的凸台，所述第一衔铁的两端各有一个长方形的凹槽，所述第一永磁体、第二永磁体均被径向充磁成N级和S极，所述第一衔铁两端长方形的凹槽内分别与第一永磁体、第二永磁体的N极面贴合，所述第一衔铁及第一衔铁的一对凸台均被第一永磁体、第二永磁体磁化成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。所述第二衔铁两端长方形的凹槽内分别与第一永磁体、第二永磁体的S极面贴合，所述第二衔铁及第二衔铁的一对凸台均被第一永磁体、第二永磁体磁化成S极端。所述第一衔铁、第二衔铁夹紧推杆左端，所述推杆的中间部分安装在第二外壳上的直线轴承内，所述推杆的右端连接复位弹簧部件，所述推杆右端从前端盖露出的部分与伺服比例阀的阀芯直接连接。

所述轭铁部件包括轭铁架、第一控制线圈、第二控制线圈，所述轭铁架的左端部分开有两个环形槽，所述第一控制线圈和第二控制线圈分别安装在轭铁架的环形槽内，所述轭铁架的中间部分的内部凸出一对上下对称的极靴，所述轭铁架的右端部分的内部凸出一对上下对称的极靴。所述衔铁部件安装在轭铁架四个极靴构成的内部空间内，此时第一衔铁的一对凸台分别与轭铁架的中间部分的上极靴、右端部分的下极靴组成第一工作气隙、第三工作气隙，第二衔铁的一对凸台分别与轭铁架的中间部分的下极靴、右端部分的上极靴组成第二工作气隙、第四工作气隙，所述第一工作气隙、第二工作气隙、第三工作气隙、第四工作气隙在未通电的情况下，大小完全相等。所述轭铁架安装在第一外壳的长方形开口槽内。

进一步，所述复位弹簧部件包括复位弹簧、第一弹簧底座、第二弹簧底座和第二弹簧底座限位环，所述第一弹簧底座安装在第二外壳的左端，所述第二弹簧底座安装在前端盖左端的环形凹槽内，所述第二弹簧底座限位环安装在第二弹簧底座的右端，所述复位弹簧的左端安装在第一弹簧底座，所述复位弹簧的右端安装在第二弹簧底座，所述第一外壳右端开口与所述第二外壳左端密封连接，所述前端盖的左端与所述第二外壳的右端密封连接。

作为优选的一种方案，所述第一衔铁的一面开有第一方形凹槽和第二方形凹槽，所述第一方形凹槽和第二方形凹槽内分别与第一永磁体和第二永磁体的N极面贴合，所述第一衔铁及第一衔铁的一对凸台均被第一永磁体、第二永磁体磁化成N极端；所述第二衔铁的结构与第一衔铁结构相同，第二衔铁开有凹槽的一面与贴合在第一衔铁凹槽内的第一永磁体、第二永磁体的S极贴合，所述第二衔铁及第二衔铁的一对凸台均被第一永磁体、第二永磁体磁化成S极端。所述第一衔铁与第二衔铁安装第一永磁体和第二永磁体后组成一个通孔，该通孔用于安装推杆。

进一步，所述的前端盖、推杆、第一弹簧底座、第二弹簧底座、第一外壳和第二外壳均为不导磁材料制成的非导磁体；所述轭铁、第一衔铁和第二衔铁均为软磁材料制成的导磁体。

本发明的有益效果主要表现在：

1、该高频直动式力马达衔铁部件移动惯量小，结构紧凑,重量较轻，水平输出力大。

2、衔铁结构设计为双螺旋结构，两块衔铁对称贴合，表面开有两个方形凹槽，用于永磁体的径向定位，实现了一种双螺旋磁路拓扑结构的新型磁路设计，满足高频直动式力马达所需的极化磁通。

3、该高频直动式力马达的推杆与伺服比例阀的阀芯一侧直接连接，实现了对阀的双向线性控制,动态性能好，响应速度快。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

图2a为本发明的第一衔铁结构示意图。

图2b为本发明的第一衔铁、第一永磁体和第二永磁体装配示意图。

图2c为本发明的第一衔铁、第二衔铁、第一永磁体和第二永磁体装配示意图。

图3为本发明的轭铁结构示意图。

图4a(1)、图4b(1)、图4c(1)、图4d(1)为衔铁部件和轭铁部件的装配示意图，其中：

图4a(2)为图4a(1)的第一工作气隙δ₁放大图；

图4b(2)为图4b(1)的第二工作气隙δ₂放大图；

图4c(2)为图4c(1)的第三工作气隙δ₃放大图；

图4d(2)为图4d(1)的第四工作气隙δ₄放大图。

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磁通状况：

图6(1)、图6(2)分别显示了控制线圈在两个通电方向时本发明内部的磁通状况。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述。

参照图1～图6(2)，一种高频直动式力马达，包括衔铁部件、轭铁部件、复位弹簧部件、前端盖8、第一外壳1和第二外壳9，所述衔铁部件包括第一衔铁11和第二衔铁12、推杆7、第一永磁体15和第二永磁体16，所述第一衔铁11长边的对角线上各凸出一个方向相反的90°的凸台，所述第一衔铁11的两端各有一个长方形的凹槽，所述第一永磁体15、第二永磁体16均被径向充磁成N级和S极，所述第一衔铁11两端长方形的凹槽壁面分别与第一永磁体15、第二永磁体16的N极面贴合，所述第一衔铁11的一对凸台被第一永磁体15、第二永磁体16磁化成N极端，所述第一衔铁11的中间部位开有一个弧形的槽。所述第一衔铁11、第二衔铁12结构完全相同，反向相互扣合。所述第二衔铁12两端长方形的凹槽壁面分别与第一永磁体15、第二永磁体16的S极面贴合，所述第二衔铁12的一对凸台被第一永磁体15、第二永磁体16磁化成S极端。所述第一衔铁11、第二衔铁12长方形的凹槽内分别贴合第一永磁体15、第二永磁体16后，第一衔铁11的中间部位的弧形的槽与第二衔铁12中间部位的弧形的槽形成一个非完整的圆孔，所述的非完整的圆孔内夹紧推杆7左端，所述推杆7左端的两个轴肩分别卡在衔铁部件的左右两端，所述推杆7的中间部分安装在与第二外壳8过盈配合的直线轴承10内，所述推杆7的右端安装第一弹簧底座3与第二弹簧底座5，所述推杆7右端从第二弹簧底座限位环6右端凸出部分与伺服比例阀的阀芯直接连接。

所述轭铁部件包括轭铁架2、第一控制线圈13、第二控制线圈14，所述轭铁架2的左端部分开有两个环形槽，所述第一控制线圈13和第二控制线圈14分别缠绕在轭铁架2的环形槽内，所述轭铁架2的中间部分的内部凸出一对上下对称的极靴，所述轭铁架2的右端部分的内部凸出一对上下对称的极靴。所述衔铁部件安装在轭铁架2四个极靴构成的内部空间内，此时第一衔铁11的一对凸台分别与轭铁架2的中间部分的上极靴、右端部分的下极靴组成第一工作气隙δ₁、第三工作气隙δ₃，第二衔铁12的一对凸台分别与轭铁架2的中间部分的下极靴、右端部分的上极靴组成第二工作气隙δ₂、第四工作气隙δ₄，所述第一工作气隙δ₁、第二工作气隙δ₂、第三工作气隙δ₄、第四工作气隙δ₄在未通电的情况下，大小完全相等。所述轭铁架2安装在第一外壳1的长方形开口槽内。

所述复位弹簧部件包括复位弹簧4、第一弹簧底座3、第二弹簧底座5和第二弹簧底座限位环6。所述第一弹簧底座3安装在第二外壳9的左端，所述第二弹簧底座5安装在前端盖8左端的环形凹槽内，所述第二弹簧底座限位环6安装在第二弹簧底座5的右端，所述复位弹簧4的左端安装在第一弹簧底座3，所述复位弹簧4的右端安装在第二弹簧底座5，所述第一外壳1右端开口与所述第二外壳9左端密封连接，所述前端盖8的左端与所述第二外壳9的右端密封连接。

工作原理：如图在4a(1)、如图4b(1)、如图4c(1)、如图4d(1)中第一衔铁11、第二衔铁12分别和轭铁架2形成四段工作气隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄，在第一控制线圈13、第二控制线圈14未通电流时，工作气隙δ₁、δ₂、δ₃和δ₄大小完全相等。第一永磁体15、第二永磁体16产生的极化磁通在轭铁架和衔铁部件中的分布如图5中点划线所示，其中虚线部分表示极化磁通在第二衔铁12中的磁通分布，第一控制线圈13、第二控制线圈14产生控制磁通在轭铁架和衔铁部件中的分布图6(1)、图6(2)中实线所示，其中虚线部分表示控制磁通在第二衔铁12中的磁场分布。当第一控制线圈13、第二控制线圈14不通电流的时，在工作气隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄内，只有第一永磁体15、第二永磁体16产生的极化磁通，衔铁部件在轭铁架2中四个极靴组成空间的中间位置，由于极化磁通在工作气隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄内分布量相同，所以第一衔铁11、第二衔铁12所受的磁力吸力相同，此时高频直动式力马达的衔铁部件处于中位，无力的输出；令图5所示的衔铁部件所在位置为初始位置，当第一控制线圈13、第二控制线圈14通入电流方向如图6(1)所示时，电流控制磁通与永磁极化磁通在工作气隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄内相互叠加，其中在工作气隙δ₁、δ₂内电流控制磁通与永磁极化磁通方向相反，磁通强度减弱，在工作气隙δ₃、δ₄内电流控制磁通与永磁极化磁通方向相同，磁通强度增强；，此时衔铁部件受到向下的推力，该推力与复位弹簧4弹力的合力逐渐减小为零，衔铁部件达到新的位置平衡，复位弹簧4处于压缩状态，其中工作气隙δ₁、δ₂的增加量相同，均增加至δ’₁、δ’₂,工作气隙δ₃、δ₄的减小量相同，均减小至δ’₃、δ’₄，此时衔铁部件在如图6(1)所示的位置；当第一控制线圈13、第二控制线圈14断电时，在此时工作气隙δ’₁、δ’₂、δ’₃、δ’₄内的电流控制磁通消失，衔铁部件所受的推力消失，在复位弹簧4向上的弹力作用下，衔铁部件又回到原来的初始位置，工作气隙δ’₁、δ’₂、δ’₃、δ’₄的大小恢复到δ₁、δ₂、δ₃、δ₄；当第一控制线圈13、第二控制线圈14通入电流方向如图6(2)所示时，电流控制磁通与永磁极化磁通在工作气隙δ₁、δ₂、δ₃、δ₄内相互叠加。其中在工作气隙δ₁、δ₂内电流控制磁通与永磁极化磁通方向相同，磁通强度增强，在工作气隙δ₃、δ₄内电流控制磁通与永磁极化磁通方向相反，磁通强度减弱；此时衔铁部件受到向上的推力，该推力与复位弹簧4弹力的合力逐渐减小为零，衔铁部件又达到新的位置平衡，复位弹簧4处于压缩状态，其中工作气隙δ₁、δ₂的减小量相同，均减小至δ”₁、δ”₂,工作气隙δ₃、δ₄的增加量相同，均增加至δ”₃、δ”₄，此时衔铁部件在如图6(2)所示的位置；当第一控制线圈13、第二控制线圈14断电时，在此时工作气隙δ”₁、δ”₂、δ”₃、δ”₄内的电流控制磁通消失，衔铁部件所受的推力消失，在复位弹簧4向下的弹力作用下，衔铁部件再一次回到原来的初始位置，工作气隙δ”₁、δ”₃、δ”₂、δ”₄的大小恢复到δ₁、δ₂、δ₃、δ₄。可以看到，在电流控制磁通和永磁极化磁通的差动叠加下，每经过两次通电方式的变化，衔铁部件就会完成一次往复运动。重复上述通电方式，衔铁部件就会持续以线性方向往复运动下去。

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。

Claims (4)

1.一种高频直动式力马达，其特征在于：包括衔铁部件、轭铁部件、复位弹簧部件、前端盖、第一外壳和第二外壳，所述衔铁部件包括第一衔铁和第二衔铁、推杆、第一永磁体和第二永磁体，所述第一衔铁长边的对角线上各凸出一个方向相反的90°的凸台，所述第一衔铁的两端各有一个长方形的凹槽，所述第一永磁体、第二永磁体均被径向充磁成N级和S极，所述第一衔铁两端长方形的凹槽内分别与第一永磁体、第二永磁体的N极面贴合，所述第一衔铁及第一衔铁的一对凸台均被第一永磁体、第二永磁体磁化成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；所述第二衔铁两端长方形的凹槽内分别与第一永磁体、第二永磁体的S极面贴合，所述第二衔铁及第二衔铁的一对凸台均被第一永磁体、第二永磁体磁化成S极端；所述第一衔铁、第二衔铁夹紧推杆左端，所述推杆的中间部分安装在第二外壳上的直线轴承内，所述推杆的右端连接复位弹簧部件，所述推杆右端从前端盖露出的部分与伺服比例阀的阀芯直接连接；

所述轭铁部件包括轭铁架、第一控制线圈、第二控制线圈，所述轭铁架的左端部分开有两个环形槽，所述第一控制线圈和第二控制线圈分别安装在轭铁架的环形槽内，所述轭铁架的中间部分的内部凸出一对上下对称的极靴，所述轭铁架的右端部分的内部凸出一对上下对称的极靴；所述衔铁部件安装在轭铁架四个极靴构成的内部空间内，此时第一衔铁的一对凸台分别与轭铁架的中间部分的上极靴、右端部分的下极靴组成第一工作气隙、第三工作气隙，第二衔铁的一对凸台分别与轭铁架的中间部分的下极靴、右端部分的上极靴组成第二工作气隙、第四工作气隙，所述第一工作气隙、第二工作气隙、第三工作气隙、第四工作气隙在未通电的情况下，大小完全相等；所述轭铁架安装在第一外壳的长方形开口槽内。

2.如权利要求1所述的高频直动式力马达，其特征在于：复位弹簧部件包括复位弹簧、第一弹簧底座、第二弹簧底座和第二弹簧底座限位环，所述第一弹簧底座安装在第二外壳的左端，所述第二弹簧底座安装在前端盖左端的环形凹槽内，所述第二弹簧底座限位环安装在第二弹簧底座的右端，所述复位弹簧的左端安装在第一弹簧底座，所述复位弹簧的右端安装在第二弹簧底座，所述第一外壳右端开口与所述第二外壳左端密封连接，所述前端盖的左端与所述第二外壳的右端密封连接。

3.如权利要求1所述的高频直动式力马达，其特征在于：第一衔铁的一面开有第一方形凹槽和第二方形凹槽，所述第一方形凹槽和第二方形凹槽内分别与第一永磁体和第二永磁体的N极面贴合，所述第一衔铁及第一衔铁的一对凸台均被第一永磁体、第二永磁体磁化成N极端；所述第二衔铁的结构与第一衔铁结构相同，第二衔铁开有凹槽的一面与贴合在第一衔铁凹槽内的第一永磁体、第二永磁体的S极贴合，所述第二衔铁及第二衔铁的一对凸台均被第一永磁体、第二永磁体磁化成S极端；所述第一衔铁与第二衔铁安装第一永磁体和第二永磁体后组成一个通孔，该通孔用于安装推杆。

4.如权利要求1所述的高频直动式力马达，其特征在于：前端盖、推杆、第一弹簧底座、第二弹簧底座、第一外壳和第二外壳均为不导磁材料制成的非导磁体；所述轭铁、第一衔铁和第二衔铁均为软磁材料制成的导磁体。

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