一種具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)，構(gòu)成包括底板、線圈繞組A、線圈繞組B、輸出軸、轉(zhuǎn)子、軛鐵、永磁體、頂板、軸承a、軸承b、套筒，固定在底板和頂板之間的軛鐵分為左軛鐵和右軛鐵，左軛鐵和右軛鐵一側(cè)所形成的空腔內(nèi)裝有永磁體，另一側(cè)所形成的空腔內(nèi)安裝兩平行布置的線圈繞組A和線圈繞組B，線圈繞組A和線圈繞組B的內(nèi)腔設(shè)置固定在輸出軸上的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子兩端面與軛鐵內(nèi)側(cè)面形成四段環(huán)形空氣間隙，輸出軸兩端徑向通過(guò)軸承a和軸承b分別支撐在底板和頂板的孔內(nèi)，軸向通過(guò)套筒和軸肩固定。本發(fā)明在一定角位移范圍內(nèi)具有正磁彈簧剛度的力矩-角位移特性，即轉(zhuǎn)子無(wú)需外加復(fù)位彈簧，在永磁極化磁場(chǎng)的作用下也能夠穩(wěn)定在中位，具有穩(wěn)定性好、角位移范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊、比例控制等優(yōu)點(diǎn)，適用于電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中角位移比例控制的直接驅(qū)動(dòng)要求。
【專利說(shuō)明】一種具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中用于角位移控制的旋轉(zhuǎn)式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，特別是一 種具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)。

【背景技術(shù)】
[0002] 力矩馬達(dá)是一種旋轉(zhuǎn)式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，其原理在于控制線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁 極化磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)差動(dòng)控制，所形成的電磁力矩作用在轉(zhuǎn)子上，并在復(fù)位彈簧的作用下轉(zhuǎn)換成 角位移輸出?，F(xiàn)有力矩馬達(dá)線性范圍小且存在具有負(fù)磁彈簧剛度的力矩-角位移特性，正 常情況下轉(zhuǎn)子難以穩(wěn)定在中位，必須采用較大的機(jī)械復(fù)位彈簧使其穩(wěn)定在中位，一般用于 小角位移的控制要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于，提供一種具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)。本發(fā)明無(wú)需外加復(fù) 位彈簧，轉(zhuǎn)子在永磁極化磁場(chǎng)的作用下也能夠穩(wěn)定在中位，具有穩(wěn)定性好、角位移范圍大、 結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案：一種具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)，其特征在于：包括底板、 線圈繞組A、線圈繞組B、輸出軸、轉(zhuǎn)子、軛鐵、永磁體、頂板、軸承a、軸承b、套筒，固定在底 板和頂板之間的軛鐵分為左軛鐵和右軛鐵，左軛鐵和右軛鐵一側(cè)所形成的空腔內(nèi)裝有永磁 體，另一側(cè)所形成的空腔內(nèi)安裝兩平行布置的線圈繞組A和線圈繞組B，線圈繞組A和線圈 繞組B的內(nèi)腔設(shè)置固定在輸出軸上的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子兩端面與軛鐵內(nèi)側(cè)面形成四段環(huán)形空氣間 隙，輸出軸兩端徑向通過(guò)軸承a和軸承b分別支撐在底板和頂板的孔內(nèi)，軸向通過(guò)套筒和軸 肩固定。
[0005] 前述的具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)中，所述轉(zhuǎn)子由多層導(dǎo)磁材料制成的疊片疊 加構(gòu)成，疊片的截面均為兩條直徑和兩條圓弧圍合組成的平面，轉(zhuǎn)子相對(duì)軛鐵的轉(zhuǎn)角范圍 為 ± 15°。
[0006] 前述的具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)中，所述左軛鐵和右軛鐵均由多層導(dǎo)磁材料 制成的疊片疊加構(gòu)成，且對(duì)稱布置在輸出軸和轉(zhuǎn)子的兩側(cè)。
[0007] 前述的具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)中，所述等腰梯形空氣間隙的銳角為30°? 60。。
[0008] 前述的具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)中，所述線圈繞組A和線圈繞組B分別纏繞 在矩形的線圈架上，每個(gè)線圈架的上下端分別固定在底板和頂板的矩形槽內(nèi)，線圈繞組A 和線圈繞組B的接線通過(guò)串聯(lián)方式連接。
[0009] 前述的具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)中，所述底板和頂板由非導(dǎo)磁材料制成。
[0010] 前述的具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)中，所述永磁體為釹鐵硼稀土永磁材料，磁 化方向垂直于永磁體與左軛鐵、右軛鐵的接觸面。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：
[0012] 1、左、右軛鐵之間形成的等腰梯形空氣間隙、軛鐵與轉(zhuǎn)子之間形成的四段環(huán)形 空氣間隙等磁路結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，使得在一定角位移范圍內(nèi)具有正磁彈簧剛度（值約為 +0.013Nm/° )的力矩-角位移特性，即轉(zhuǎn)子無(wú)需外加復(fù)位彈簧，在永磁極化磁場(chǎng)的作用下 也能夠穩(wěn)定在中位，具有穩(wěn)定性好、角位移范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，克服了力矩馬達(dá)典型 結(jié)構(gòu)中存在的負(fù)磁彈簧剛度特性問(wèn)題。
[0013] 2、實(shí)現(xiàn)了線圈控制磁場(chǎng)與單永磁極化磁場(chǎng)的差動(dòng)磁場(chǎng)目的，具有直接驅(qū)動(dòng)、連續(xù) 可調(diào)、比例控制等優(yōu)點(diǎn)，適用于電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中角位移比例控制的直接驅(qū)動(dòng)要求。
[0014] 3、分層疊片導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)能降低了交變電磁場(chǎng)中渦流損耗的作用，提高了電磁轉(zhuǎn)換效 率，降低了能量損耗。
[0015] 4、還可通過(guò)改變分層疊片的層數(shù)或永磁體的尺寸大小，可調(diào)節(jié)正磁彈簧剛度的剛 度系數(shù)，以滿足不同負(fù)載的需求。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的水平剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明的垂直剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)爆炸圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明線圈繞組無(wú)電流時(shí)水平截面的磁力線分布圖；
[0020] 圖5為本發(fā)明線圈繞組加載正電流時(shí)水平截面的磁力線分布圖；
[0021] 圖6為本發(fā)明線圈繞組加載負(fù)電流時(shí)水平截面的磁力線分布圖；
[0022] 圖7為本發(fā)明的角位移-控制電流特性。
[0023] 附圖中的標(biāo)記為：1-底板，2-線圈繞組A，3-線圈繞組B，4-輸出軸，5-轉(zhuǎn)子，6-軛 鐵，7-永磁體，8-頂板，9-軸承a，10-軸承b，11-套筒，12-梯形空氣間隙，13-環(huán)形空氣間 隙，131-環(huán)形空氣間隙a，132-環(huán)形空氣間隙b，133-環(huán)形空氣間隙c，134-環(huán)形空氣間隙 d〇

【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明限制的依 據(jù)。
[0025] 實(shí)施例。一種具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)，構(gòu)成如圖1-3所示，包括底板1、線 圈繞組A2、線圈繞組B3、輸出軸4、轉(zhuǎn)子5、軛鐵6、永磁體7、頂板8、軸承a9、軸承blO、套筒 11，固定在底板1和頂板8之間的輒鐵6分為左輒鐵61和右輒鐵62,左輒鐵61和右輒鐵 62的極靴面形成等腰梯形空氣間隙12 ;左軛鐵61和右軛鐵62-側(cè)所形成的空腔內(nèi)裝有永 磁體7,另一側(cè)所形成的空腔內(nèi)安裝兩平行布置的線圈繞組A2和線圈繞組B3,線圈繞組A2 和線圈繞組B3的內(nèi)腔設(shè)置固定在輸出軸4上的轉(zhuǎn)子5,轉(zhuǎn)子5兩端面與軛鐵6內(nèi)側(cè)面形成 四段環(huán)形空氣間隙13 (分別為環(huán)形空氣間隙a、環(huán)形空氣間隙b、環(huán)形空氣間隙c、環(huán)形空氣 間隙d)，輸出軸兩端徑向通過(guò)軸承a9和軸承blO分別支撐在底板1和頂板8的孔內(nèi)，軸向 通過(guò)套筒11和軸肩固定。
[0026] 所述轉(zhuǎn)子5由多層導(dǎo)磁材料（該導(dǎo)磁材料可以是硅鋼片、坡莫合金）制成的疊片 疊加構(gòu)成，疊片的截面均為兩條直徑和兩條圓弧圍合組成的平面，轉(zhuǎn)子5相對(duì)軛鐵6的轉(zhuǎn)角 范圍為±15°。
[0027] 所述左軛鐵61和右軛鐵62均由多層導(dǎo)磁材料（該導(dǎo)磁材料可以是娃鋼片、坡莫 合金）制成的疊片疊加構(gòu)成，且對(duì)稱布置在輸出軸4和轉(zhuǎn)子5的兩側(cè)。分層導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的設(shè) 計(jì)降低了交變電磁場(chǎng)中渦流損耗的作用，提高了電磁轉(zhuǎn)換效率，降低了能量損耗。
[0028] 所述等腰梯形空氣間隙（12)的銳角為30°?60°。
[0029] 所述線圈繞組A2和線圈繞組B3分別纏繞在矩形的線圈架上，每個(gè)線圈架的上下 端分別固定在底板1和頂板8的矩形槽內(nèi)，線圈繞組A2和線圈繞組B3的接線通過(guò)串聯(lián)方 式連接。
[0030] 所述底板1和頂板8由非導(dǎo)磁材料制成（該非導(dǎo)磁材料可以是不銹鋼、鋁或者塑 料等）。
[0031] 所述永磁體7為釹鐵硼稀土永磁材料，磁化方向垂直于永磁體7與左軛鐵61、右軛 鐵62的接觸面。
[0032] 圖4-6給出了不同線圈繞組電流下的水平截面磁力線分布圖。如圖4所示，無(wú)控 制電流時(shí)，磁力線從永磁體7出發(fā)沿右軛鐵62分成兩部分磁路，每部分磁力線均分別通過(guò) 梯形空氣間隙12和環(huán)形空氣間隙13經(jīng)轉(zhuǎn)子5到達(dá)左軛鐵61，最后回到永磁體7形成閉合 磁路。當(dāng)轉(zhuǎn)子5處于中位時(shí)，環(huán)形空氣間隙13磁力線均勻分布，在轉(zhuǎn)子5上產(chǎn)生的電磁力 矩為零；當(dāng)轉(zhuǎn)子5偏離中位時(shí)，環(huán)形空氣間隙13的磁力線分布情況發(fā)生變化，在一定角位移 范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁力矩與偏轉(zhuǎn)角位移近似成正比，且與偏轉(zhuǎn)方向相反，使得轉(zhuǎn)子5能夠穩(wěn) 定在中位，磁力矩的作用等效為一個(gè)正剛度的彈簧，即轉(zhuǎn)子無(wú)需外加復(fù)位彈簧，在永磁極化 磁場(chǎng)的作用下也能夠穩(wěn)定在中位，具有穩(wěn)定性好、角位移范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。該實(shí)施 例中±15°范圍內(nèi)的彈簧剛度系數(shù)（即電磁力矩變化量與偏轉(zhuǎn)角位移變化量的比值）為 0. 013Nm/°，其值可通過(guò)改變分層疊片的層數(shù)或永磁體的尺寸大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0033] 如圖5所示，當(dāng)線圈繞組A2和線圈繞組B3串聯(lián)連接并加載正電流時(shí)，水平截面磁 力線分布情況為：磁力線從永磁體7出發(fā)沿右軛鐵62分成三部分磁路，除上述形成的兩部 分磁路外，大部分磁力線經(jīng)右軛鐵62的左極面、環(huán)形空氣間隙al31、轉(zhuǎn)子5、環(huán)形空氣間隙 dl34到達(dá)左軛鐵61的右極面，最后回到永磁體7形成閉合磁路。此時(shí)環(huán)形空氣間隙al31 和dl34磁力線較集中，使得轉(zhuǎn)子5產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻牧兀沟棉D(zhuǎn)子5偏離中位，當(dāng)逆時(shí)針 轉(zhuǎn)過(guò)一定角位移時(shí)，力矩減小至零，轉(zhuǎn)子5又處于穩(wěn)定位置。同理，如圖6所示，當(dāng)線圈繞 組A2和B3串聯(lián)連接并加載負(fù)電流時(shí)，磁力線分布情況相類似。此時(shí)環(huán)形空氣間隙bl32和 cl33磁力線較集中，使得轉(zhuǎn)子5產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻牧兀沟棉D(zhuǎn)子5偏離中位，當(dāng)順時(shí)針轉(zhuǎn) 過(guò)一定角位移時(shí)，力矩減小至零，轉(zhuǎn)子5又處于穩(wěn)定位置。
[0034] 綜上，該力矩馬達(dá)的工作原理在于：線圈繞組產(chǎn)生的控制磁場(chǎng)與單永磁極化磁場(chǎng) 形成了差動(dòng)磁場(chǎng)，作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力矩直接轉(zhuǎn)換成角位移而無(wú)需外加機(jī)械彈簧，具有 直接驅(qū)動(dòng)、連續(xù)可調(diào)、比例控制等優(yōu)點(diǎn)。如圖7所示，以逆時(shí)針角位移為正，轉(zhuǎn)子角位移隨著 線圈繞組電流的增大而增大，可近似為比例關(guān)系，最大角位移范圍為±15°，當(dāng)超過(guò)該范圍 后，轉(zhuǎn)子容易被吸到軛鐵一側(cè)而失去控制。
【權(quán)利要求】
1. 一種具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)，其特征在于：包括底板（1)、線圈繞組A(2)、線 圈繞組B (3)、輸出軸（4)、轉(zhuǎn)子（5)、軛鐵（6)、永磁體（7)、頂板（8)、軸承a (9)、軸承b (10)、 套筒（11)，固定在底板（1)和頂板（8)之間的軛鐵（6)分為左軛鐵￠1)和右軛鐵￠2)，左 軛鐵￠1)和右軛鐵￠2)的極靴面形成等腰梯形空氣間隙（12);左軛鐵￠1)和右軛鐵（62) 一側(cè)所形成的空腔內(nèi)裝有永磁體（7)，另一側(cè)所形成的空腔內(nèi)安裝兩平行布置的線圈繞組 A⑵和線圈繞組B(3)，線圈繞組A(2)和線圈繞組B(3)的內(nèi)腔設(shè)置固定在輸出軸（4)上的 轉(zhuǎn)子（5)，轉(zhuǎn)子（5)兩端面與軛鐵￠)內(nèi)側(cè)面形成四段環(huán)形空氣間隙（13)，輸出軸兩端徑向 通過(guò)軸承a(9)和軸承b(10)分別支撐在底板（1)和頂板（8)的孔內(nèi)，軸向通過(guò)套筒（11) 和軸肩固定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)，其特征在于：所述轉(zhuǎn)子（5) 由多層導(dǎo)磁材料制成的疊片疊加構(gòu)成，疊片的截面均為兩條直徑和兩條圓弧圍合組成的平 面，轉(zhuǎn)子（5)相對(duì)軛鐵（6)的轉(zhuǎn)角范圍為±15°。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)，其特征在于：所述左軛鐵 (61) 和右軛鐵￠2)均由多層導(dǎo)磁材料制成的疊片疊加構(gòu)成，且對(duì)稱布置在輸出軸（4)和轉(zhuǎn) 子（5)的兩側(cè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)，其特征在于：所述等腰梯形 空氣間隙（12)的銳角為30°?60°。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)，其特征在于：所述線圈繞組 A(2)和線圈繞組B(3)分別纏繞在矩形的線圈架上，每個(gè)線圈架的上下端分別固定在底板 (1)和頂板（8)的矩形槽內(nèi)，線圈繞組A(2)和線圈繞組B(3)的接線通過(guò)串聯(lián)方式連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)，其特征在于：所述底板（1) 和頂板（8)由非導(dǎo)磁材料制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的具有正磁彈簧剛度的力矩馬達(dá)，其特征在于：所 述永磁體（7)為釹鐵硼稀土永磁材料，磁化方向垂直于永磁體（7)與左軛鐵（61)、右軛鐵 (62) 的接觸面。
【文檔編號(hào)】H02K24/00GK104124848SQ201410400233
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月13日
【發(fā)明者】李勇, 申允德, 玄東吉, 成泰洪 申請(qǐng)人:溫州大學(xué)