專利名稱：基于哈爾巴赫陣列自屏蔽特性的直驅(qū)泵用直線振蕩電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直線振蕩電機，具體來說，是一種基于哈爾巴赫陣列自屏蔽特性的直線振蕩電機，主要針對直接驅(qū)動固液一體化作動器液壓伺服泵(直驅(qū)泵)。
背景技術(shù)：
目前功率電傳系統(tǒng)中常用的一體化作動器采用機械傳動方式的機電作動器EMA (Electro-mechanical Actuator),采用液壓傳動方式的電動靜液作動器 EHA (Elector-hydrostatic Actuator)和集成電液作動器 IAP (Integrated Actuation Package)等。采用機械傳動機電作動器EMA中通常包括電動機、減速器和滾珠絲杠等元件，電動機在電能的驅(qū)動下輸出高轉(zhuǎn)速、低扭矩的旋轉(zhuǎn)運動，經(jīng)減速器后轉(zhuǎn)換為低轉(zhuǎn)速、小扭矩的旋轉(zhuǎn)運動，最后經(jīng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)換為驅(qū)動舵面需要的直線運動。然而，機械傳動裝置具有的體積質(zhì)量大、可靠性低等缺點使得EMA在現(xiàn)有的技術(shù)水平下還不能適應飛行器的需求。采用液壓傳動的電動靜液作動器EHA中通常包括電動機、液壓泵和作動筒等主要元件，電動機帶動液壓泵將電能轉(zhuǎn)換大小可控的液壓能，直接驅(qū)動作動筒從而獲得驅(qū)動舵面所需的直線運動，因而具有和傳統(tǒng)液壓傳動系統(tǒng)相同的功率密度大的優(yōu)勢，同時又采用容積控制消除了液壓節(jié)流損失，提高了液壓傳動系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率。然而整個EHA系統(tǒng)存在下面問題I、精度問題電機的低轉(zhuǎn)速性能不穩(wěn)定，液壓泵的摩擦與泄露問題突出，控制精度與穩(wěn)定性是個難點；2、動態(tài)問題控制電機-泵組的慣量大，液壓泵的液壓剛度低，需要頻繁的雙向起?？刂?，EHA系統(tǒng)頻寬無法獲得突破；3、可靠性與壽命問題余度配置復雜，容錯能力差，可靠性低，電機的轉(zhuǎn)速范圍比較寬(最高可達I萬轉(zhuǎn)以上)，制約了液壓泵的壽命，在國外民用飛機上目前主要是用做備份使用。針對上述EHA不足，目前提出采用一種直接驅(qū)動固液復合一體化作動器的概念， 來提高EHA系統(tǒng)總體性能，直接驅(qū)動工作原理是利用直線驅(qū)動器直接驅(qū)動柱塞吸壓油，拋棄了傳統(tǒng)EHA旋轉(zhuǎn)變直線運動需要的旋轉(zhuǎn)軸、斜盤、配流盤等部件，這種方式的優(yōu)點為A、直接驅(qū)動固液復合一體化作動器結(jié)構(gòu)簡化，慣量減小，動態(tài)性能得到提升；B、沒有了柱塞泵旋轉(zhuǎn)帶來的各種摩擦，可靠性增強，效率更高；C、可以進行模塊化的設計組合，余度配置靈活，單個柱塞獨立控制，抗故障能力增強，提聞可罪性；目前一體化作動器中直接驅(qū)動液壓伺服泵采用的直線驅(qū)動器主要是智能材料， 如壓電陶瓷、磁致伸縮、形狀記憶合金等，由此使直線驅(qū)動器具有大功率密度與輸出力，動態(tài)性能好，頻響高，高分辨率，且體積小，設計結(jié)構(gòu)簡單。但采用智能材料的直線驅(qū)動器受限于自身輸出行程短，如壓電陶瓷，僅有O. 1mm，所以很難實現(xiàn)大的流量與大的輸出功率，因此目前基于智能材料的直接驅(qū)動液壓伺服泵主要應用在小型導彈、飛行器的應用研究上，基本上還不能達到在體積、質(zhì)量相當條件下傳統(tǒng)EHA中旋轉(zhuǎn)柱塞泵的系統(tǒng)壓力、功率指標。這成為制約直接驅(qū)動液壓伺服泵在大功率輸出應用領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸，限制了直接驅(qū)動液壓伺服泵獨具有高動態(tài)特性、高可靠性、余度配置控制靈活性等諸多優(yōu)勢的充分發(fā)揮。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前直接驅(qū)動液壓伺服泵用直線驅(qū)動器存在的輸出位移小，造成泵系統(tǒng)輸出流量低、功率低等問題，提出將電磁驅(qū)動方式的直線振蕩電機應用于直接驅(qū)動液壓伺服泵中，取代傳統(tǒng)的EHA用旋轉(zhuǎn)電機作為固液復合一體化舵機液壓伺服泵的直線驅(qū)動裝置，另外針對直線振蕩電機在較高頻率往復運動時存在較大動子慣性力造成的電機有效輸出力降低、功率密度受限等問題，提出一種基于哈爾巴赫陣列永磁體空心動子磁路設計結(jié)構(gòu)，同時提出在動子空心處安裝諧振彈簧抵消動子慣性力的結(jié)構(gòu)設計方式。本發(fā)明提出一種基于哈爾巴赫陣列自屏蔽特性的直驅(qū)泵用直線振蕩電機，包括外層定子、內(nèi)層動子、永磁體、支撐軸、線圈繞組、直線軸承、諧振彈簧與端蓋。外層定子為具有圓筒狀通道的結(jié)構(gòu)，內(nèi)層動子為圓筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)層動子位于外層定子內(nèi)部。所述外層定子內(nèi)側(cè)壁周向上等間距開有至少2個線圈繞組槽，用來設置線圈繞組。所述內(nèi)層動子兩端具有外凸邊緣，內(nèi)層動子兩端外凸邊緣的外壁與外層定子內(nèi)壁間具有Imm氣隙距離；內(nèi)層動子外壁周向上安裝有永磁體,永磁體米用哈爾巴赫陣列排布方式。 內(nèi)層動子內(nèi)部設置有支撐軸，支撐軸兩端貫穿于內(nèi)層動子兩端，且通過端蓋將支撐軸兩端分別與外層定子兩端固定鎖緊。支撐軸中部套接有直線軸承，支撐軸上還套接有兩個諧振彈簧，兩個諧振彈簧分別位于直線軸承兩端；諧振彈簧與內(nèi)層動子間位置相對固定；直線軸承與內(nèi)層動子位置相對固定。內(nèi)層動子左端或右端設計為至少兩瓣式連接體，連接體穿過與外層定子左端或右端固連的端面后，通過具有球鉸的外部設備連接頭，實現(xiàn)與外部柱塞等執(zhí)行機構(gòu)相連。上述結(jié)構(gòu)中內(nèi)層動子、支撐軸、外層定子同軸，且直線軸承中心處到外層定子左右兩側(cè)端蓋中心處的距離相等。本發(fā)明的優(yōu)點在于I、本發(fā)明直線振蕩電機中永磁體采用哈爾巴赫陣列排布方式，可增加永磁體外側(cè)與外層定子I內(nèi)壁間氣隙處的磁感應強度，從而增大本發(fā)明直線振蕩電機軸向上的輸出力；2、本發(fā)明直線振蕩電機利用哈爾巴赫陣列排布方式的自屏蔽特性，并采用空心式內(nèi)層動子設計方式，大大減小電機內(nèi)層動子質(zhì)量與慣性力，提高了直線振蕩電機利用率，從而很大程度的提高整個直驅(qū)泵的動態(tài)特性。3、本發(fā)明直線振蕩電機采用諧振彈簧來對電機往復運動換向時提供回復力，減小對電機輸出力的要求；諧振彈簧的使用也對內(nèi)層動子往復運動行程起到限位作用；同時， 由于諧振彈簧具有抵消內(nèi)層動子慣性力的作用，當應用剛度適當?shù)闹C振彈簧，可使整個內(nèi)層動子系統(tǒng)實現(xiàn)自激振蕩，完全抵消內(nèi)層動子慣性力，電機利用率最高；4、本發(fā)明直線振蕩電機在機械結(jié)構(gòu)設計上，由于電機內(nèi)層動子剛好是空心式設計，正好可以將諧振彈簧安裝到內(nèi)層動子的內(nèi)層空心，由此相對于以往的直線振蕩電機兩邊安裝彈簧的方式，大大減小了電機的軸向尺寸與質(zhì)量，使電機整體設計更加緊湊。


圖I是本發(fā)明直線振蕩電機結(jié)構(gòu)剖視圖2是本發(fā)明直線振蕩電機磁路設計示意圖。
圖中
I-外層定子2-內(nèi)層動子3-永磁體4-支撐軸
5-線圈繞組6-直線軸承7-諧振彈簧8_端蓋
9-卡簧10-連接體11-外部設備連接頭12-線圈繞組槽
13-外凸邊緣14-環(huán)形凸臺
具體實施例方式下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明直線振蕩電機，包括外層定子I、內(nèi)層動子2、永磁體3、支撐軸4、線圈繞組 5、直線軸承6、諧振彈簧7與端蓋8。其中，外層定子I為圓筒狀結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中將外層定子I設計為具有圓筒狀通道的長方體結(jié)構(gòu)，由此為整個一體化泵中多個直線振蕩電機的集成提供安裝設計條件。內(nèi)層動子2同樣為圓筒狀結(jié)構(gòu)，位于外層定子I內(nèi)部，內(nèi)層動子2兩端具有外凸邊緣，本發(fā)明中設計內(nèi)層動子2兩端外凸邊緣的外壁與外層定子I內(nèi)壁間具有Imm氣隙距離，由此可使內(nèi)層動子2在外層定子I內(nèi)進行往復震蕩。所述內(nèi)層動子2外壁周向上安裝有永磁體3，由此可通過內(nèi)層動子2支撐永磁體3。上述永磁體3采用哈爾巴赫陣列排布方式，可增加永磁體3 外側(cè)與外層定子I內(nèi)壁間氣隙處的磁感應強度，從而增大本發(fā)明直線振蕩電機軸向上的輸出力；由于本發(fā)明中內(nèi)層動子2采用圓筒形的空心結(jié)構(gòu)，且根據(jù)哈爾巴赫陣列的自屏蔽特性，可使內(nèi)層動子2側(cè)壁中的磁力線互相抵消，由此不再像傳統(tǒng)的實心結(jié)構(gòu)內(nèi)層動子2，可大大減小內(nèi)層動子2的質(zhì)量與慣性力，提高了直線振蕩電機利用率，從而很大程度的提高整個直驅(qū)泵的動態(tài)特性。所述外層定子I內(nèi)側(cè)壁周向上等間距開有至少2個線圈繞組槽12，用來設置銅制線圈繞組5，通過線圈繞組5在外層定子I中產(chǎn)生直流磁場，與永磁體3的恒定磁場相互作用，使內(nèi)層動子2產(chǎn)生軸向上的輸出力。如圖2所示，圖中“ · ”代表線圈繞組中電流方向向外，“ X ”代表線圈繞組中電流方向向內(nèi)，永磁體3箭頭方向代表永磁體3充磁方向；設計的電機是單相直流控制，所以在電流方向一定的情況下，動子有效輸出力在作用內(nèi)層動子2 的行程s內(nèi)，方向是不變的,需要改變電流的方向來改變輸出力方向。一般來講，在外層定子I軸向長度一定的情況下，線圈繞組槽12數(shù)量越多(即槽密度越大)，則氣隙內(nèi)磁場分布更均勻，內(nèi)層動子2軸向輸出力更平穩(wěn)，但實際應用中線圈繞組槽12數(shù)量又不能過多，過多會使直線振蕩電機線圈繞組電流方向恒定時有效輸出力作用行程s變短，因此行程s應與相鄰兩線圈繞組槽12的間距(槽距)成正比，且小于槽距，同時，設計的直線振蕩電機內(nèi)層動子2行程s需根據(jù)外部與之相連的泵活塞的運動位移考慮，一般設計s ( 20mm,外層定子 I槽距大于20mm，因此根據(jù)輸出力大小、平穩(wěn)性以及動子行程s的要求，本實施例中在外層定子I內(nèi)側(cè)壁周向上設計等間距24mm的六個線圈繞組槽12。內(nèi)層動子2內(nèi)部設置有支撐軸4，支撐軸4兩端貫穿于內(nèi)層動子2兩端，且通過端蓋8將支撐軸4兩端分別與外層定子I兩端固定鎖緊。支撐軸4中部套接有直線軸承6，支撐軸4上還套接有兩個諧振彈簧7，兩個諧振彈簧7分別位于直線軸承6兩端。為了實現(xiàn)諧振彈簧7與內(nèi)層動子2間的相對定位，因此在內(nèi)層動子2內(nèi)側(cè)壁中部周向上設計有環(huán)形凸臺14，由此在環(huán)形凸臺14左右兩端面與內(nèi)層動子左右兩端固定的端蓋8間形成諧振彈簧7 設置腔，將諧振彈簧7 —端與環(huán)形凸臺14端面貼合，另一端與端蓋8貼合，實現(xiàn)諧振彈簧7 與內(nèi)層動子2間的相對定位，且將諧振彈簧7設置在內(nèi)層動子2內(nèi)部，可充分利用整體直線振蕩電機的設計空間，與傳統(tǒng)的內(nèi)層動子2兩邊安裝諧振彈簧的方式相比，大大減小了直線振蕩電機的整體設計結(jié)構(gòu)尺寸。為了實現(xiàn)直線軸承6與內(nèi)層動子2間相對定位，使直線軸承6與環(huán)形凸臺14內(nèi)壁間具有過盈配合，且直線軸承6的兩端分別與固定在內(nèi)層動子2 內(nèi)側(cè)壁中的兩個卡簧9貼合，由此實現(xiàn)直線軸承6與內(nèi)層動子2間的相對固定。通過上述結(jié)構(gòu)使直線軸承6與支撐軸4配合使內(nèi)層動子2可在支撐軸4上滑動，且諧振彈簧7隨內(nèi)層動子2的滑動被壓縮，由此通過諧振彈簧7壓縮后產(chǎn)生的抗力可抵消電機停止或換向時需要克服的慣性力，同時通過諧振彈簧7可以對內(nèi)層動子2行程s進行限位控制。上述結(jié)構(gòu)中內(nèi)層動子2、支撐軸4、外層定子I三者同軸，且直線軸承6中心處到外層定子I左右兩側(cè)端蓋8中心處的距離相等，此時直線振蕩電機中各部分位置為標定位置。 同時，本發(fā)明中兩個諧振彈簧7剛度相同，均為40 80N/mm，且兩個諧振彈簧7預壓縮量相同。為了在直線振蕩電機內(nèi)層動子2振蕩起來后，通過諧振彈簧7壓縮后產(chǎn)生的抗力完全抵消電機停止或換向時需要克服的慣性力，本發(fā)明中諧振彈簧7的剛度為K = 4 π 2f2m, 其中f為內(nèi)層動子2運動頻率，m為內(nèi)層動子2的質(zhì)量，且每個諧振彈簧7的預壓縮量大于 s/2，由此使直線振蕩電機的電磁輸出力為用于產(chǎn)生直驅(qū)泵系統(tǒng)的高壓輸出力，提高直線振蕩電機的有效利用率。同時本發(fā)明中諧振彈簧7的最大壓縮量要大于S，從而實現(xiàn)內(nèi)層動子 2以正常的回復力往復振蕩。另外，為了實現(xiàn)電機內(nèi)層動子2在行程s內(nèi)自由往復運動，因此使內(nèi)層動子2左端面、右端面與左端蓋、右端蓋間的距離大于內(nèi)層動子2的行程S。內(nèi)層動子2左端或右端設計為至少兩瓣式連接體10，連接體10穿過與外層定子 I左端或右端固連的端面后，通過具有球鉸的外部設備連接頭11與外部柱塞等執(zhí)行機構(gòu)相連，通過上述結(jié)構(gòu)可防止內(nèi)層動子2在外層定子I內(nèi)的軸向旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明中端蓋8采用十字法蘭結(jié)構(gòu)，由此將內(nèi)層動子2左端或右端的連接體10設計為與十字法蘭相配合的四瓣式結(jié)構(gòu)連接體10，四瓣式結(jié)構(gòu)連接體10可穿過十字法蘭與外部柱塞等執(zhí)行機構(gòu)相連。
權(quán)利要求
1.基于哈爾巴赫陣列自屏蔽特性的直驅(qū)泵用直線振蕩電機，其特征在于包括外層定子、內(nèi)層動子、永磁體、支撐軸、線圈繞組、直線軸承、諧振彈簧與端蓋；外層定子為具有圓筒狀通道的結(jié)構(gòu)，內(nèi)層動子為圓筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)層動子位于外層定子內(nèi)部；所述外層定子內(nèi)側(cè)壁周向上等間距開有至少2個線圈繞組槽，用來設置線圈繞組；所述內(nèi)層動子兩端具有外凸邊緣；內(nèi)層動子外壁周向上安裝有永磁體，永磁體采用哈爾巴赫陣列排布方式；內(nèi)層動子內(nèi)部設置有支撐軸，支撐軸兩端貫穿于內(nèi)層動子兩端，且通過端蓋將支撐軸兩端分別與外層定子兩端固定鎖緊；支撐軸中部套接有直線軸承，支撐軸上還套接有兩個諧振彈簧，兩個諧振彈簧分別位于直線軸承兩端；諧振彈簧與內(nèi)層動子間位置相對固定；直線軸承與內(nèi)層動子位置相對固定；內(nèi)層動子左端或右端設計為至少兩瓣式連接體，連接體穿過與外層定子左端或右端固連的端面后，通過具有球鉸的外部設備連接頭，實現(xiàn)與外部執(zhí)行機構(gòu)相連；上述結(jié)構(gòu)中內(nèi)層動子、支撐軸、外層定子同軸，且直線軸承中心處到外層定子左右兩側(cè)端蓋中心處的距離相等。
2.如權(quán)利要求I所述基于哈爾巴赫陣列自屏蔽特性的直驅(qū)泵用直線振蕩電機，其特征在于所述外層定子為具有圓筒狀通道的長方體結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求I所述基于哈爾巴赫陣列自屏蔽特性的直驅(qū)泵用直線振蕩電機，其特征在于所述內(nèi)層動子兩端外凸邊緣的外壁與外層定子內(nèi)壁間具有Imm氣隙距離。
4.如權(quán)利要求I所述基于哈爾巴赫陣列自屏蔽特性的直驅(qū)泵用直線振蕩電機，其特征在于所述內(nèi)層動子的行程s與相鄰兩線圈繞組槽的間距成正比，且小于兩線圈繞組槽的間距。
5.如權(quán)利要求I所述基于哈爾巴赫陣列自屏蔽特性的直驅(qū)泵用直線振蕩電機，其特征在于所述線圈繞組槽外層定子內(nèi)側(cè)壁周向上開有等間距24mm的六個線圈繞組槽。
6.如權(quán)利要求I所述基于哈爾巴赫陣列自屏蔽特性的直驅(qū)泵用直線振蕩電機，其特征在于所述內(nèi)層動子內(nèi)側(cè)壁中部周向上設計有環(huán)形凸臺，由此在環(huán)形凸臺左右兩端面與內(nèi)層動子左右兩端固定的端蓋間形成諧振彈簧設置腔，將諧振彈簧一端與環(huán)形凸臺端面貼合，另一端與端蓋貼合，實現(xiàn)諧振彈簧與內(nèi)層動子間的相對定位；直線軸承與環(huán)形凸臺內(nèi)壁間具有過盈配合，且直線軸承的兩端分別與固定在內(nèi)層動子內(nèi)側(cè)壁中的兩個卡簧貼合，由此實現(xiàn)直線軸承與內(nèi)層動子間的相對固定。
7.如權(quán)利要求I所述基于哈爾巴赫陣列自屏蔽特性的直驅(qū)泵用直線振蕩電機，其特征在于兩個諧振彈簧剛度相同，均為40 80N/mm，且兩個諧振彈簧預壓縮量相同。
8.如權(quán)利要求7所述基于哈爾巴赫陣列自屏蔽特性的直驅(qū)泵用直線振蕩電機，其特征在于本發(fā)明中諧振彈簧7的剛度為K = 4Ji2f2m，其中f為內(nèi)層動子運動頻率，m為內(nèi)層動子的質(zhì)量，且每個諧振彈簧的預壓縮量大于s/2，最大壓縮量大于S。
9.如權(quán)利要求I所述基于哈爾巴赫陣列自屏蔽特性的直驅(qū)泵用直線振蕩電機，其特征在于所述內(nèi)層動子的左端面、右端面與左端蓋、右端蓋間的距離大于S。
10.如權(quán)利要求I所述基于哈爾巴赫陣列自屏蔽特性的直驅(qū)泵用直線振蕩電機，其特征在于端蓋采用十字法蘭結(jié)構(gòu)，由此將內(nèi)層動子左端或右端的連接體設計為與十字法蘭相配合的四瓣式結(jié)構(gòu)連接體，四瓣式結(jié)構(gòu)連接體可穿過十字法蘭與外部柱塞等執(zhí)行機構(gòu)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于哈爾巴赫陣列自屏蔽特性的直驅(qū)泵用直線振蕩電機，包括圓筒狀的外層定子與內(nèi)層動子以及永磁體、支撐軸、線圈繞組、直線軸承、諧振彈簧和端蓋。內(nèi)層動子位于外層定子內(nèi)部。外層定子內(nèi)壁周向開有線圈繞組槽。內(nèi)層動子可在外層定子內(nèi)振蕩運動；內(nèi)層動子外壁上安裝有采用哈爾巴赫陣列排布方式的永磁體，內(nèi)部設置有支撐軸，支撐軸兩端通過端蓋與外層定子兩端固定；支撐軸上套接直線軸承與兩個諧振彈簧，兩個諧振彈簧位于直線軸承兩端；諧振彈簧、直線軸承均與內(nèi)層動子間相對固定；內(nèi)層動子一端穿過同端端蓋后，通過球鉸連接頭，實現(xiàn)與外部執(zhí)行機構(gòu)相連。本發(fā)明的優(yōu)點為軸向上的輸出力大、利用率高，且整體結(jié)構(gòu)緊湊。
文檔編號H02K33/18GK102594079SQ20121004853
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月27日
發(fā)明者嚴亮, 李洋, 梁惠升, 焦宗夏 申請人:北京航空航天大學