本發(fā)明涉及液壓領(lǐng)域和電磁領(lǐng)域，具體涉及一種基于halbach陣列的永磁式力矩馬達。

背景技術(shù)：

電液伺服閥是電液伺服控制中的關(guān)鍵元件，它是一種接受模擬電信號后，輸出調(diào)制流量和壓力的液壓控制閥。電液伺服閥具有動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、冶金、化工等領(lǐng)域的電液伺服控制系統(tǒng)中。電磁力矩馬達是電液伺服閥的第一級，作用是將輸入的電信號轉(zhuǎn)化為機械信號，使銜鐵偏轉(zhuǎn)，以對前置級液壓部分進行控制。

目前對于力矩馬達的研究主要是對現(xiàn)有力矩馬達結(jié)構(gòu)的分析，比如哈爾濱工程大學(xué)劉常海在考慮導(dǎo)磁元件磁阻、永磁體磁阻和永磁體漏磁的情況下，對伺服閥力矩馬達進行了磁路分析和電磁力矩的推導(dǎo)，得到伺服閥力矩馬達的數(shù)學(xué)模型。針對模型線性化，存在力矩馬達明顯屬于非線性問題以及線性化模型的阻尼系數(shù)很難估計的問題，武宏偉、趙斌利用matlab對力矩馬達的非線性特征進行了分析，并且計算出了從輸入電壓到輸出轉(zhuǎn)角之間的動態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)響應(yīng)曲線。蘭州理工大學(xué)王洋，針對力矩馬達內(nèi)各組件模型，在有限元仿真軟件adina中建立了力矩馬達的有限元模型，分析了各組件的主要應(yīng)力和變形區(qū)域，求解了彈簧管綜合剛度與反饋彈簧剛度。通過對力矩馬達進行模態(tài)分析，獲得了力矩馬達的前6階固有頻率與振型，闡述了在各階固有頻率下的主要振型。哈爾濱工程大學(xué)彭敬輝為揭示伺服閥自激噪聲的產(chǎn)生機理，對伺服閥力矩馬達的振動特性進行研究，通過分析噴嘴擋板式電液伺服閥的工作原理，給出了銜鐵組件的受力數(shù)學(xué)模型，建立了單自由度系統(tǒng)的諧振響應(yīng)分析數(shù)學(xué)模型，分析了諧振頻率與系統(tǒng)固有頻率的關(guān)系。同濟大學(xué)訚耀保等建立了射流管伺服閥力矩馬達組件的隨機振動動力學(xué)模型，通過模態(tài)分析和有限元分析，得到了力矩馬達組件各部件的隨機振動響應(yīng)功率譜密度、應(yīng)變和應(yīng)力值。北京理工大學(xué)姚曉先等在考慮永久磁體磁阻、氣隙處漏磁和線圈漏磁的情況下，對某型號氣動力矩馬達的磁路進行了分析，并研究了該類力矩馬達的靜態(tài)特性測試方法。其它少量的研究包括充磁方向以及磁流體的使用對力矩馬達性能的提升，這些研究都停留在理論仿真階段。

力矩馬達的磁路設(shè)計以及電磁場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化是提高力矩馬達性能的最重要環(huán)節(jié)之一。射流管式電液伺服閥與噴嘴擋板式電液伺服閥是目前世界上運用最普遍的典型兩級流量控制伺服閥。由于射流管式電液伺服閥在國外屬高端產(chǎn)品，主要運用于航空、航天、軍事等行業(yè)，目前對國內(nèi)實行限制引進。

傳統(tǒng)力矩馬達磁鋼采用單一的軸向充磁，磁鋼和導(dǎo)磁體鏈接部位漏磁現(xiàn)象嚴重，對于磁能的利用并不充分。對于該型力矩馬達的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括永磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化和導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化還是一片空白。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于射流管式電液伺服閥中的第一級進行改進，針對上述傳統(tǒng)力矩馬達存在問題，改進磁鋼結(jié)構(gòu)和充磁方向，使力矩馬達在等體積的磁鋼的情況下，獲得更大的輸出轉(zhuǎn)矩，或在獲得相等力矩的情況下，使力矩馬達的整體體積和質(zhì)量大幅減少。

本發(fā)明提供了一種基于halbach陣列的永磁式力矩馬達，左右兩部分的永磁體是鏡像對稱的，每側(cè)都采用3塊永磁體相連的結(jié)構(gòu)；上下兩塊永磁體的形狀相同，且充磁方向沿水平方向相反，中間一塊永磁體的充磁方向豎直向上。

所述的力矩馬達的中間部分包括水平方向?qū)Т朋w、豎直方向?qū)Т朋w、銜鐵和線圈，所述的銜鐵分別與上下兩部分的豎直方向?qū)Т朋w之間存在氣隙。

當(dāng)線圈中通入控制電流后，產(chǎn)生控制磁通和極化磁通。所述的控制磁通分為上行和下行兩部分，分別通過銜鐵、一側(cè)的豎直方向?qū)Т朋w、水平方向?qū)Т朋w和另一側(cè)的豎直方向?qū)Т朋w后再回到銜鐵形成環(huán)狀；力矩馬達單側(cè)的三塊永磁體使單側(cè)的極化磁通通過導(dǎo)磁體和銜鐵后形成環(huán)形。

力矩馬達工作時，產(chǎn)生的每一路極化磁通或每一路控制磁通都先后兩次通過存在的氣隙。每個氣隙的控制磁通和極化磁通相疊加，改變線圈中控制電流的方向，使得銜鐵受一個順時針或逆時針方向的電磁力矩而轉(zhuǎn)動。

本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果在于：本發(fā)明解決了傳統(tǒng)的力矩馬達的磁鋼和導(dǎo)磁體連接處的漏磁現(xiàn)象嚴重的問題，將傳統(tǒng)的單塊磁鋼分為三部分，加以不同的充磁方向進行有序排列，減小了力矩馬達的漏磁現(xiàn)象，提高了磁能的利用率，使輸出電磁力矩大幅提高。本發(fā)明的力矩馬達可使電液伺服閥在負載相同的情況下，減少輸入功率，或者使力矩馬達的整體結(jié)構(gòu)更加的緊湊。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的永磁式力矩馬達的工作原理圖；

圖2是本發(fā)明提供的永磁式力矩馬達的一種裝配方式的正視圖；

圖3是本發(fā)明提供的永磁式力矩馬達的一種裝配方式的左視圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

電磁力矩馬達是電液伺服閥的第一級，作用是將輸入的電信號轉(zhuǎn)化為機械信號，使銜鐵偏轉(zhuǎn)，以對前置級液壓部分進行控制?，F(xiàn)有電磁力矩馬達存在一整塊磁鐵單向充磁現(xiàn)象嚴重、磁能的利用率低的問題，而實現(xiàn)一塊磁鐵的多向充磁的技術(shù)難度較高。本發(fā)明為了提高傳統(tǒng)力矩馬達輸出力矩，提高力矩馬達結(jié)構(gòu)的緊湊性，提出了一種新型的基于halbach陣列的永磁體力矩馬達，將傳統(tǒng)的單塊磁鋼分為三部分，加以不同的充磁方向進行有序排列，極大地減少漏磁現(xiàn)象，使磁通更好地束縛在永磁體和導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)內(nèi)，使得可在等體積的磁鋼的情況下，獲得更大的輸出轉(zhuǎn)矩；或在獲得相等力矩的情況下，使力矩馬達的整體體積和質(zhì)量大幅減少。

如圖1所示，本發(fā)明的永磁體力矩馬達包括三部分，左右兩部分為對稱結(jié)構(gòu)，每部分包括3塊永磁體，中間部分包括水平方向?qū)Т朋w、豎直方向?qū)Т朋w、銜鐵和線圈。本發(fā)明改變傳統(tǒng)單側(cè)整塊永磁體結(jié)構(gòu)，采用單側(cè)3塊永磁體相連的方式，并改變原有的充磁方向，使在相同的永磁體體積時獲得最大的磁能利用率，即使力矩馬達的極化磁通增大，可以使力矩馬達在輸入相同的控制電流時得到更大的輸出轉(zhuǎn)矩。

左右兩部分的永磁體的布置是鏡像對稱的，此處以右側(cè)為例說明，三塊永磁體分別為1號永磁體、2號永磁體和5號永磁體。1號和5號兩塊永磁體水平放置，2號永磁體豎直放置在1號和5號永磁體之間。1號和5號兩塊永磁體的形狀相同，充磁方向相反。1號永磁體的充磁方向水平向左，左側(cè)為n極，右側(cè)為s極；5號永磁體的充磁方向水平向右，右側(cè)為n極，左側(cè)為s極。中間2號永磁體的形狀為長方體，充磁方向豎直向上，上面為n極，下面為s極。

中間部分的銜鐵3、水平方向?qū)Т朋w4和豎直方向?qū)Т朋w7為軟磁性材料，銜鐵3水平放置在中心位置，關(guān)于銜鐵3對稱布置上下兩部分的水平方向?qū)Т朋w4和豎直方向?qū)Т朋w7。在銜鐵3上下兩側(cè)布置有等量的線圈6。銜鐵3可繞中心順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)輸出電磁力矩。豎直方向?qū)Т朋w7垂直布置在銜鐵3左右兩端，上下各兩塊。水平方向?qū)Т朋w4為水平方向布置，上下各一塊，與銜鐵3平行放置，且與兩個豎直方向?qū)Т朋w7相連，如圖1所示。水平方向?qū)Т朋w4和豎直方向?qū)Т朋w7，可以做成分塊結(jié)構(gòu)，如所用導(dǎo)磁體是不同材料時，可以做成分塊結(jié)構(gòu)；也可以做成一個整體結(jié)構(gòu)，當(dāng)是同種材料時，可考慮合成一個整體結(jié)構(gòu)，可實際中加工成一體。漆包線繞成的線圈6位于水平方向?qū)Т朋w4和銜鐵3之間的空間內(nèi)。當(dāng)力矩馬達工作時在線圈6中通入控制電流，根據(jù)右手定則，通電線圈產(chǎn)生控制磁通。單側(cè)的三塊永磁體按圖1所示n極和s極順序排列，使單側(cè)的極化磁通通過導(dǎo)磁體和銜鐵后形成環(huán)形。通入控制電流后產(chǎn)生控制磁通，若控制磁通自左向右通過銜接，如圖1所示，控制磁通分為上行和下行兩部分，分別通過銜鐵、一側(cè)豎直方向?qū)Т朋w、水平方向?qū)Т朋w和另一側(cè)豎直方向?qū)Т朋w后再回到銜鐵形成環(huán)狀。

每一路極化磁通或每一路控制磁通都會先后兩次通過氣隙，如圖1所示，銜鐵3分別與上下兩部分的豎直方向?qū)Т朋w7之間存在氣隙，從左到右、從上到下依次編號為a1～a4。左側(cè)的極化磁通順時針通過氣隙a1、氣隙a3；右側(cè)的極化磁通逆時針通過氣隙a2、氣隙a4；上路的控制磁通逆時針通過氣隙a2、氣隙a1；下路的控制磁通順時針通過氣隙a4、氣隙a3。每個氣隙的控制磁通和極化磁通相疊加，即在氣隙a1、a4中兩個磁通相加，而在氣隙a2、a3中兩個磁通相減，使氣隙a1、a4中的磁通大于氣隙a2、a3中的磁通。由于氣隙的磁通越大，單位面積的磁場強度越大，產(chǎn)生的電磁吸力越大，因此銜鐵左端電磁吸引力的合力方向上，而右側(cè)吸引力向下，使銜鐵受一個順時針方向的電磁力矩而順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)改變線圈中控制電流的方向，使控制磁通自右向左通過銜鐵，使上下路的控制磁通反向，而左右兩側(cè)永磁體的極化磁通不變，則控制磁通和極化磁通相互疊加時，氣隙a1、a4中兩個磁通相減，而氣隙a2、a3中的兩個磁通相加，使氣隙a1、a4中的磁通小于氣隙a2、a3中的磁通，銜鐵左端電磁吸引力的合力向下，而右側(cè)吸引力向上，使銜鐵受一個逆時針方向的電磁力矩而逆時針轉(zhuǎn)動。

由于單側(cè)halbach型力矩馬達的永磁體是由三塊永磁體陣列而成，局部不可避免出現(xiàn)同級相斥的現(xiàn)象，這種排斥力是不可預(yù)判的，所以需要外加裝配結(jié)構(gòu)使同側(cè)三塊永磁體準確地束縛在裝配位置。本發(fā)明提供了一種安裝方式，如圖2和3所示，為halbach型力矩馬達裝配正視圖和左視圖。限位釘8用于限制力矩馬達銜鐵的極限轉(zhuǎn)角。本發(fā)明實施例將水平方向?qū)Т朋w和豎直方向?qū)Т朋w設(shè)計為同種材料，并設(shè)計為一體結(jié)構(gòu)，如圖2中導(dǎo)磁體9所示。導(dǎo)磁體9為永磁體產(chǎn)生的極化磁通和控制電流產(chǎn)生的控制磁通提供磁路，其中導(dǎo)磁體豎直方向內(nèi)側(cè)設(shè)置為一斜倒角，是為了在不影響磁路的情況下使產(chǎn)生的電磁力矩的力臂盡量加長，使輸出力矩盡可能提高。漆包線繞成的線圈6放置在線圈支架10上，根據(jù)力矩馬達的輸出性能要求可以設(shè)計出相應(yīng)的線圈層數(shù)和匝數(shù)，左右兩側(cè)對稱在線圈支架10上繞上線圈，通入控制電流后可以產(chǎn)生控制磁通，改變控制電流的方向即可改變控制磁通的方向，進而改變氣隙磁場強度的疊加狀態(tài)而改變銜鐵的轉(zhuǎn)向。線圈支架10需要和銜鐵3之間留出足夠的空間，避免銜鐵旋轉(zhuǎn)時與線圈支架產(chǎn)生干涉。兩個線圈支架10之間的距離和位置的定位是靠最下永磁體5的定位面限制的，兩個線圈支架10的總高度即是上下永磁體1,5之間的距離。本發(fā)明實施例中力矩馬達的銜鐵3，與傳動力矩馬達銜鐵相同，是靠前后兩個彈簧片限制在平衡位置的，是力矩馬達的輸出結(jié)構(gòu)。上下永磁體1,5的充磁方向相反，二者中間為同種材料長方體磁鐵2。磁鋼外保持架14內(nèi)部腔體的形狀尺寸與單組三塊永磁體裝配后的形狀尺寸相配合，在磁鋼外保持架14內(nèi)固定安裝有磁鋼內(nèi)支撐板11，通過螺栓13、螺母12鎖緊磁鋼內(nèi)支撐板11，以限制同側(cè)兩組磁鋼左右方向的位移，通過螺栓15、螺母16固定鎖緊磁鋼內(nèi)支撐板11后，限制了同側(cè)兩組磁鋼的前后方向的位移。同時，磁鋼外保持架14的上下前沿與上下導(dǎo)磁體4相配合，由此保證了導(dǎo)磁體與永磁體的位置關(guān)系。另外在磁鋼外保持架14的各個面上加工了螺紋孔，用于頂絲調(diào)整永磁體在腔體內(nèi)的位置。頂絲17可以消除上下永磁體與中間永磁體的安裝間隙，頂絲18可以使上中下三塊永磁體緊靠導(dǎo)磁體和磁鋼外保持架的腔體內(nèi)壁，頂絲19可以保證上中下三塊永磁體緊靠磁鋼內(nèi)支撐板。另外，在磁鋼外保持架14上留出槽口，以便觀察永磁體之間以及永磁體與導(dǎo)磁體之間的貼合情況。