本發(fā)明涉及電液伺服控制元件用的電-機械轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，尤其是一種二維電液伺服閥用的新型線圈外置式斜翼力矩馬達(dá)。

背景技術(shù)：

電液伺服控制技術(shù)自四十年代出現(xiàn)以來，便以其功率重量比高、輸出力(力矩)大和靜動態(tài)特性優(yōu)異等顯著特點在機電傳動與控制技術(shù)中占據(jù)了高端位置，重點應(yīng)用于航空航天、軍用武器、船舶、大型電站、鋼鐵、材料試驗機和振動臺等各種關(guān)鍵場合，從而被視為各國工業(yè)的關(guān)鍵競爭力。而作為核心控制元件的電液伺服閥，則對整個電液伺服系統(tǒng)的性能起著決定性的影響作用，歷來是流體傳動及控制領(lǐng)域的研究熱點之一。

為了有效克服液動力從而獲得理想的靜動態(tài)特性，人們通常將伺服閥設(shè)計成導(dǎo)控式的多級結(jié)構(gòu)。在眾多的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新之中，基于閥芯雙運動自由度的方法獨樹一幟，其基本思想如下：一般的滑閥閥芯具有徑向旋轉(zhuǎn)和軸向移動兩個自由度，且不相互干涉，因而可以用這兩個自由度分別實現(xiàn)導(dǎo)控級和功率級的功能，考慮到滑閥閥口的面積梯度可以做的很大，且閥芯在閥孔中也較容易與端蓋等配合形成敏感腔，一般可用閥芯的旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)導(dǎo)控級的功能，而用直線運動來實現(xiàn)功率級的開口。以上即為基于閥芯雙自由度的二維流量放大機構(gòu)設(shè)計思想，最早由阮健等在哈爾濱工業(yè)大學(xué)攻讀博士學(xué)位時提出。

阮健等基于該原理提出了一種位置直接反饋式二維電液伺服閥，通過開設(shè)在閥套內(nèi)表面的一對螺旋槽和閥芯外圓面的一對高低壓孔相交面積構(gòu)成的液壓阻力半橋來控制敏感腔的壓力，當(dāng)電-機械轉(zhuǎn)換器帶動閥芯轉(zhuǎn)動時，閥套上螺旋槽和閥芯上高低壓孔構(gòu)成的弓型節(jié)流口面積差動變化，導(dǎo)致閥芯兩端液壓力失去平衡而軸向移動，在此過程中閥芯位移又反饋給螺旋槽和高低壓孔構(gòu)成的弓型節(jié)流口面積，最終使其逐漸趨向于相等，此時閥芯停止移動并處于新的平衡位置?？梢钥吹皆撻y的液壓放大部分自行閉環(huán)反饋，因此實質(zhì)上為兩級的位置直接反饋式伺服閥。該閥的主要優(yōu)點是將原本分立的導(dǎo)控級和功率級合二為一，集成于單個閥芯上，不但結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快，而且閥的抗污染能力得到了極大的提高。然而該閥也存在問題：主要是其閥套上的空間螺旋槽結(jié)構(gòu)一般需要三軸以上的進(jìn)口電火花機床才能加工，成本較高，且加工效率很低，同時由于其處于閥套內(nèi)表面，加工精度難于保證，檢測時也較為困難。用于量大價廉的民用領(lǐng)域時就顯露出成本較高的問題。

為解決該問題，也有人提出一種力反饋式二維電液伺服閥(201510620866.7)，其主要特點是在傳統(tǒng)平翼力矩馬達(dá)的基礎(chǔ)上，將馬達(dá)銜鐵兩翼設(shè)計成軸對稱的斜面以此取代原先閥套內(nèi)表面的螺旋槽結(jié)構(gòu)，從而當(dāng)銜鐵軸向移動時獲得反饋力矩，該馬達(dá)被稱為斜翼力矩馬達(dá)，其作為電-機械轉(zhuǎn)換器可直接驅(qū)動滑閥閥芯構(gòu)成所謂的力反饋式二維電液伺服閥，與原來的位置反饋型二維閥相比，閥套上的感受通道窗口由原先的空間螺旋槽改為普通的直槽結(jié)構(gòu)，對于加工設(shè)備要求不高，成本也較為低廉，該類二維閥非常適合在民用領(lǐng)域中推廣。然而，要使得該閥能夠正常工作，斜翼力矩馬達(dá)的輸出力矩(驅(qū)動和反饋力矩)必須足夠大到能夠克服旋轉(zhuǎn)時閥芯和閥套之間產(chǎn)生的粘性力矩和液壓卡緊力矩。因此，對于斜翼力矩馬達(dá)進(jìn)行電磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以進(jìn)一步提升輸出力矩就顯得至關(guān)重要。

現(xiàn)有的斜翼力矩馬達(dá)采用線圈內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，即兩個線圈分置纏繞于銜鐵上，這樣就帶來兩個問題，首先，線圈纏繞需要空間，其勢必要擠壓掉一部分銜鐵的有效氣隙面積(根據(jù)電磁學(xué)原理，有效氣隙面積定義為設(shè)計上允許的軛鐵極靴面和銜鐵翼面的最大正對面積，該面積越大，馬達(dá)的輸出力矩越大)；其次，理論和實驗研究均證明斜翼力矩馬達(dá)的反饋力矩大小與其斜翼傾角的正弦值成正比(“漿翼式力矩馬達(dá)反饋特性研究”，農(nóng)業(yè)機械學(xué)報2017年第1期)，因此在設(shè)計過程中，應(yīng)盡可能將斜翼傾角設(shè)計的較大以提升反饋力矩。傳統(tǒng)的線圈內(nèi)置式結(jié)構(gòu)由于線圈纏繞在銜鐵上，則線圈也需要設(shè)計的更大，以此來容納傾角變大的銜鐵，在這種情況下，雖然線圈纏繞體積增大，但匝數(shù)并沒有隨之增加，而勵磁磁勢大小與電流值和匝數(shù)乘積成正比，也就是說，線圈體積的增大和繞線用銅量的增加，并沒有換得勵磁磁勢的增加，這對于電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計而言，顯然是不合理的。另外，線圈纏繞在銜鐵上，客觀上使得線圈無法密封，導(dǎo)致馬達(dá)無法做成濕式耐高壓的結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服已有的斜翼力矩馬達(dá)存在的銜鐵有效窗口面積小、電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)難以協(xié)同優(yōu)化設(shè)計的缺陷，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、銜鐵有效窗口面積大、有利于實現(xiàn)主要結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)之間協(xié)同優(yōu)化設(shè)計的二維電液伺服閥用新型線圈外置式斜翼力矩馬達(dá)。

為了解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：

線圈外置式斜翼力矩馬達(dá)，安裝在力反饋式二維電液伺服閥的液壓放大機構(gòu)的一端，其特征在于：由左軛鐵1、右軛鐵5、銜鐵3、上永磁體7、下永磁體4、左線圈2和右線圈6等組成；左軛鐵1、右軛鐵5及銜鐵3均為導(dǎo)磁體；左軛鐵1和右軛鐵5為C字形結(jié)構(gòu)，C字形結(jié)構(gòu)包括上側(cè)、下側(cè)和側(cè)立柱形成的封閉側(cè)以及與封閉側(cè)相對的開口側(cè)，左軛鐵1和右軛鐵5的開口側(cè)相對，左軛鐵1和右軛鐵5的側(cè)立柱上分別纏繞左線圈2和右線圈6；左線圈2和右線圈6分別纏繞于左軛鐵1和右軛鐵5的立柱上，用來提供控制磁勢；銜鐵3連接液壓放大機構(gòu)的閥芯19，銜鐵3連接彈簧桿20、21；

銜鐵3由水平設(shè)置的中心軸和兩側(cè)翼面構(gòu)成，兩側(cè)翼面、左軛鐵1和右軛鐵5的極靴表面與水平面之間有傾斜角，以垂直于水平面、豎直向上的軸為Z軸，左右翼面呈以Z軸為中心軸的180°陣列特征，其中左翼面圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°后，剛好和右翼面重合；左軛鐵1和右軛鐵5的左右極靴表面也是呈以Z軸為中心軸的180°陣列特征；左翼面插入到左軛鐵1的兩個極靴表面之間，三者相互平行并形成左上工作氣隙和左下工作氣隙；右翼面插入到右軛鐵5的兩個極靴表面之間，三者相互平行并形成右上工作氣隙和右下工作氣隙；四個工作氣隙的高度相同；四個工作氣隙高度的變化不僅受到銜鐵3轉(zhuǎn)動的影響，同時也受到閥芯19的軸向位移的影響，以此實現(xiàn)閥芯位移對力矩馬達(dá)的力反饋。

所述的左軛鐵1和右軛鐵5的開口側(cè)上下兩端分別加工出凹槽，上永磁體7、下永磁體4分別對稱放置于左軛鐵1和右軛鐵5的凹槽中，用來提供極化磁勢。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：1.增加了銜鐵的有效氣隙面積。本發(fā)明提出的線圈外置式方案將原本纏繞于銜鐵上的勵磁線圈改為纏繞于C字形軛鐵外側(cè)的立柱上，以此實現(xiàn)勵磁線圈與銜鐵相分離，由此增加了銜鐵翼面面積的利用率，增大了有效氣隙面積，有利于提高馬達(dá)的輸出電磁力矩。2.參數(shù)調(diào)整方便，有利于實現(xiàn)主要結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)之間的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計。斜翼力矩馬達(dá)的反饋力矩大小與其斜翼傾角大小成正比，因此在設(shè)計過程中，應(yīng)盡可能的將斜翼傾角設(shè)計的較大以提升反饋力矩。傳統(tǒng)的線圈內(nèi)置式結(jié)構(gòu)由于線圈纏繞在銜鐵上，則線圈也需要設(shè)計的更大，以此來容納傾角變大的銜鐵，在這種情況下，雖然線圈纏繞體積增大，但匝數(shù)并沒有隨之增加，而勵磁磁勢大小與電流值和匝數(shù)乘積成正比，也就是說，線圈體積的增大和用銅量的增加，并沒有換得勵磁磁勢的增大，這對于電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計而言，顯然是不合理的。而本發(fā)明提出的線圈外置式結(jié)構(gòu)，由于線圈纏繞于銜鐵外側(cè)的立柱上，在增加斜翼傾角的同時也增加了立柱高度，由此便可以纏繞更多的勵磁線圈，從而增大了線圈匝數(shù)；另外，在本發(fā)明中，在軛鐵的C字形開口側(cè)上下兩端加工出凹槽以放置永磁體，如此則極化磁勢的大小也可以通過改變永磁體的高度而進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以看到，在線圈外置式方案中，其主要的性能參數(shù)調(diào)節(jié)非常方便，有利于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)與電磁參數(shù)之間的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計，從而有利于提升輸出力矩。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的左軛鐵1的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的右軛鐵5的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明的銜鐵3的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明的上永磁體4的結(jié)構(gòu)示意圖，下永磁體7的結(jié)構(gòu)與其完全相同。

圖6為傳統(tǒng)線圈內(nèi)置式斜翼力矩馬達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為傳統(tǒng)線圈內(nèi)置式斜翼力矩馬達(dá)的上軛鐵8的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為傳統(tǒng)線圈內(nèi)置式斜翼力矩馬達(dá)的下軛鐵11的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為采用本發(fā)明作為電-機械轉(zhuǎn)換器的二維力反饋式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10(a)、10(b)和10(c)為圖9中二維力反饋式電液伺服閥的工作原理示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖5、圖9所示，一種新型線圈外置式斜翼力矩馬達(dá)，由左軛鐵1、右軛鐵5、銜鐵3、上永磁體7、下永磁體4、左線圈2和右線圈6等組成。左軛鐵1、右軛鐵5及銜鐵3均為導(dǎo)磁體；左軛鐵1和右軛鐵5為C字形結(jié)構(gòu)，C字形結(jié)構(gòu)包括上側(cè)、下側(cè)和側(cè)立柱形成的封閉側(cè)以及與封閉側(cè)相對的開口側(cè)，左軛鐵1和右軛鐵5的開口側(cè)相對，C字形結(jié)構(gòu)的開口側(cè)上下兩端加工出凹槽用來放置永磁體。上永磁體7、下永磁體4分別對稱放置于左軛鐵1和右軛鐵5的凹槽中，用來提供極化磁勢；左線圈2和右線圈6分別纏繞于左軛鐵1和右軛鐵5的側(cè)立柱上，用來提供控制磁勢。在和液壓放大機構(gòu)配合使用時，銜鐵3直接和閥芯19固連，在彈性元件如彈簧桿20、21等的作用下被保持在馬達(dá)的中位。整個力矩馬達(dá)裝配完畢后，再通過機械連接的方式固連到閥體的一端。

如圖2～圖5、圖9所示，與用作噴嘴擋板閥和射流管閥電-機械轉(zhuǎn)換器的普通平翼力矩馬達(dá)不同的是，對于斜翼式力矩馬達(dá)而言，銜鐵3由水平設(shè)置的中心軸和兩側(cè)翼面構(gòu)成，兩側(cè)翼面、左軛鐵1和右軛鐵5的極靴表面與水平面之間有傾斜角，以垂直于水平面、豎直向上的軸為Z軸，左右翼面呈以Z軸為中心軸的180°陣列特征，其中左翼面圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°后，剛好和右翼面重合；左軛鐵1和右軛鐵5的左右極靴表面也是呈以Z軸為中心軸的180°陣列特征；左翼面插入到左軛鐵1的兩個極靴表面之間，三者相互平行并形成左上工作氣隙和左下工作氣隙；右翼面插入到右軛鐵5的兩個極靴表面之間，三者相互平行并形成右上工作氣隙和右下工作氣隙；四個工作氣隙的高度相同；四個工作氣隙高度的變化不僅受到銜鐵3轉(zhuǎn)動的影響，同時也受到閥芯19的軸向位移的影響，以此實現(xiàn)閥芯位移對力矩馬達(dá)的力反饋。不通電時馬達(dá)無力矩輸出，銜鐵位于中位；當(dāng)左線圈2、右線圈6通電時，永磁體7、4的極化磁勢和線圈的控制磁勢在四個工作氣隙下相互差動疊加，從而產(chǎn)生電磁力矩帶動銜鐵3旋轉(zhuǎn)，直到電磁力矩與彈性元件如彈簧桿20、21等的反力矩相互平衡，銜鐵3停止轉(zhuǎn)動，此時銜鐵3的輸出力矩與控制電流成正比，調(diào)節(jié)電流大小便可控制銜鐵3的旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)銜鐵3有軸向位移時，銜鐵3和左右軛鐵1、5的極靴之間的氣隙高度又發(fā)生變化，使得作用在銜鐵3上的合力矩失去平衡，從而帶動銜鐵3和閥芯19在移動過程中同時作反向轉(zhuǎn)動，直到銜鐵3和左右軛鐵1、5的極靴之間的氣隙高度恢復(fù)到原值。在上述過程中，閥芯19的軸向位移是通過銜鐵3的氣隙變化來使得馬達(dá)輸出的電磁力矩發(fā)生變化，從而實現(xiàn)位移-力反饋的。

作為對比，傳統(tǒng)的線圈內(nèi)置式斜翼力矩馬達(dá)如圖6～8所示，其由上軛鐵8、下軛鐵11、銜鐵10、第一永磁體9、第二永磁體15、第一線圈12、第二線圈13組成；上軛鐵8、下軛鐵11及銜鐵10均為導(dǎo)磁體；第一永磁體9、第二永磁體15分別對稱放置于上軛鐵和下軛鐵外側(cè)，用來提供極化磁勢；第一線圈12、第二線圈13分別對稱纏繞于上軛鐵和下軛鐵內(nèi)側(cè)，用來提供控制磁勢；銜鐵10的翼面和上軛鐵8、下軛鐵11的極靴面的斜面設(shè)計，和線圈外置式的力矩馬達(dá)基本是相同的。

比較圖2和圖6可以看到，相比于原來的線圈內(nèi)置式方案，本發(fā)明提出的線圈外置式結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點：1.增加了銜鐵的有效氣隙面積。圖2的線圈外置式方案將原本纏繞于銜鐵上的勵磁線圈改為纏繞于C字形軛鐵外側(cè)的立柱上，實現(xiàn)勵磁線圈與銜鐵相分離，由此增加了銜鐵翼面面積的利用率，增大了有效氣隙面積，有利于提高馬達(dá)的電磁力矩。2.參數(shù)調(diào)整方便，有利于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁參數(shù)之間的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計。斜翼力矩馬達(dá)的反饋力矩大小與其斜翼傾角大小成正比，因此在設(shè)計過程中，應(yīng)盡可能的將斜翼傾角設(shè)計的較大以提升反饋力矩。圖6的線圈內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，由于勵磁線圈纏繞在銜鐵上，則線圈也需要設(shè)計的更大，以此來容納傾角變大的銜鐵，在這種情況下，雖然線圈纏繞體積增大，但匝數(shù)并沒有隨之增加，而勵磁磁勢大小與電流值和匝數(shù)的乘積成正比，也就是說，線圈體積的增大和用銅量的增加，并沒有換得勵磁磁勢的增大，這對于電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計而言，顯然是不合理的。而本發(fā)明提出的線圈外置式結(jié)構(gòu)，由于線圈纏繞于銜鐵外側(cè)的立柱上，在增加斜翼傾角的同時，立柱高度隨之增加，便可以纏繞更多的勵磁線圈，增大了線圈匝數(shù)；另外，在本發(fā)明中，在C字形軛鐵的開口側(cè)上下兩端加工出凹槽以放置永磁體，如此則極化磁勢的大小也可以通過改變永磁體的高度而進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以看到，在線圈外置式方案中，其主要的性能參數(shù)調(diào)節(jié)非常方便，且有利于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)與電磁參數(shù)之間的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計。

需要特別指出的是，對于普通的平翼力矩馬達(dá)而言，由于不存在改變翼面角度這一說，因此也談不上傾角和勵磁線圈匝數(shù)之間的優(yōu)化問題，所以線圈外置式的結(jié)構(gòu)方案，對于斜翼力矩馬達(dá)這種特殊的、既有轉(zhuǎn)動也有平動的電-機械轉(zhuǎn)換器而言，具有極其重要的意義。

如圖9所示，與斜翼力矩馬達(dá)配合使用的液壓放大部分主要包括閥芯19和閥套18等。閥套18上開有P口、T口、A口、B口，其中P口連通系統(tǒng)壓力，T口連接油箱，A口和B口則作為控制油口。閥芯19與閥套18及其他零件(如后蓋板等)配合構(gòu)成左敏感腔h，靠近左敏感腔h的閥芯19左端臺肩表面上開設(shè)有兩對軸對稱的高低壓槽a和b，閥桿上還開有過流孔c和d，高壓槽a、過流孔c和過流孔d通過開設(shè)于閥芯內(nèi)部的過流通道相連接，低壓槽b則直接和回油口連接；閥芯19安裝于閥套18中，閥套18的內(nèi)表面上開設(shè)有一對軸對稱的直槽感受通道f，直槽感受通道f的一端和敏感腔h相通，另一端與高低壓槽a和b構(gòu)成阻力半橋，阻力半橋通過感受通道f控制敏感腔h內(nèi)的壓力。

本實施例以外形尺寸32.4mm-71mm-38mm的線圈外置式斜翼力矩馬達(dá)和閥芯直徑為12.5mm的液壓放大結(jié)構(gòu)組成的二維力反饋式電液伺服閥為例，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

該二維力反饋式電液伺服閥的工作原理如下：如圖9所示，當(dāng)液壓泵打開，斜翼式力矩馬達(dá)未通電時，銜鐵3在第一彈簧桿20和第二彈簧桿21支撐下處于中位，其兩側(cè)翼面的上下工作氣隙高度相等均為g，伺服閥的右腔k通過過流孔d，經(jīng)小孔c和閥芯19桿內(nèi)通道與進(jìn)油P口(系統(tǒng)壓力)相通，右腔k的承壓面積為左敏感腔h面積的一半；左敏感腔h的壓力由開設(shè)在閥芯19左端臺肩上的一對高低壓槽a和b與開設(shè)于閥套18內(nèi)表面的一對直槽感受通道f相交的兩個微小矩形窗串聯(lián)的液壓阻力半橋控制。在靜態(tài)時若不考慮摩擦力及液動力的影響，左敏感腔h的壓力為P口壓力(系統(tǒng)壓力)的一半，閥芯19軸向保持靜壓平衡，與直槽感受通道f相交的高低壓槽兩側(cè)的遮蓋面積相等。

如圖10(a)、10(b)和10(c)所示，當(dāng)斜翼式力矩馬達(dá)通電時，銜鐵3驅(qū)動閥芯19作順時針的轉(zhuǎn)動(從左向右看)，直到輸出力矩和第一彈簧桿20和第二彈簧桿21的阻力矩相等的平衡位置，如圖10(a)所示；此時銜鐵3上下工作氣隙高度分別由g變化為g₁和g₂(g₁>g，g₂<g)。閥芯低壓槽b與直槽感受通道f構(gòu)成的節(jié)流口面積增大，高壓槽a與感受通道f構(gòu)成的節(jié)流口面積減小，敏感腔h內(nèi)的壓力降低，閥芯19軸向失去平衡向左移動；由于馬達(dá)的斜翼結(jié)構(gòu)，閥芯19的軸向移動導(dǎo)致銜鐵3的上下工作氣隙高度再度分別變化為g₃和g₄(g₃<g₁，g₄>g₂)。如圖10(b)所示，此時作用在銜鐵3上的合力矩失去平衡，銜鐵3和閥芯19在軸向移動的同時作反向的轉(zhuǎn)動，直到感受通道f與高低壓槽之間的兩個節(jié)流口面積回復(fù)到相等，此時銜鐵3停止轉(zhuǎn)動，閥芯19停止軸向移動并處于一個新的平衡位置，其敏感腔h壓力又恢復(fù)為系統(tǒng)壓力的一半，如圖10(c)所示。在上述過程中，閥芯19的軸向位移通過銜鐵19的氣隙變化使銜鐵3輸出的電磁力矩發(fā)生變化來實現(xiàn)位移-力反饋，因此該閥實質(zhì)上為兩級的力反饋式電液伺服閥。

上述具體實施方式用來解釋本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。