專利名稱：極靴緊接合的新型擺動(dòng)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及有限轉(zhuǎn)角擺動(dòng)電機(jī)，尤其涉及極靴緊接合的新型結(jié)構(gòu)的有限轉(zhuǎn)角擺動(dòng)電機(jī)。
目前傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的擺動(dòng)電機(jī)，其定子的兩個(gè)極靴都設(shè)計(jì)成分開的有一定的距離間隔，轉(zhuǎn)子在這兩個(gè)分開的極靴之間擺動(dòng)。在兩極靴間隔的中心位置設(shè)定為擺動(dòng)中心，這擺動(dòng)中心作為轉(zhuǎn)子的初始位置。為使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定地定位在擺動(dòng)中心，就必須存在恢復(fù)力矩。這種力矩可以是機(jī)械的彈性元件產(chǎn)生的扭力矩或者是電磁性的磁力矩。當(dāng)電機(jī)磁路內(nèi)定子繞組中注入電流，在極靴內(nèi)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁通量就和預(yù)置磁通量疊加，使磁通分布發(fā)生變化。轉(zhuǎn)子受磁力矩的作用轉(zhuǎn)向磁通密度大的方向，即偏離中心位置直到此偏置的磁力矩與彈性元件的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)力矩達(dá)到平衡。轉(zhuǎn)子偏置的方向和大小對應(yīng)于注入繞組的電流的方向和大小。一般地，轉(zhuǎn)子的擺動(dòng)以擺動(dòng)中心為起始位置，擺幅限制在兩個(gè)極靴的范圍內(nèi)。如果注入繞組的電流強(qiáng)度是恒定的，轉(zhuǎn)子則偏置至對應(yīng)的某一角位置上。如果注入適當(dāng)?shù)慕蛔冃盘?，轉(zhuǎn)子就在某一角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)。
下面對現(xiàn)有技術(shù)中比較典型的擺動(dòng)電機(jī)(

圖1a和1b)，即有彈性元件扭力矩支持的電機(jī)的磁路原理作一簡要描述。
圖1a中，一對定子b和b′，每一定子有一對分開一定間距的極靴jk和j′k′，和定子繞組d和d′；在兩個(gè)定子間并聯(lián)地裝有一對永磁體a和a′，因此，極靴j和k是同極性的，極性j′和k′也是同極性的，但與jk極性相反。轉(zhuǎn)子c在極靴構(gòu)成的同心圈內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，極靴的圓弧面與轉(zhuǎn)子的圓弧面，有間距甚小的氣隙，其擺動(dòng)中心在極靴jk和j′k′的中間位置上，有彈性元件(圖中未示出)將轉(zhuǎn)子支持在擺動(dòng)中心。
從圖1可以看出，永磁體a和a′的磁通量為預(yù)置磁通量，并聯(lián)地經(jīng)過轉(zhuǎn)子c兩端的氣隙形成回路。即a的預(yù)置磁通是從N極出發(fā)，經(jīng)過定子b的極靴j和氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子c，再經(jīng)過氣隙和定子b′的極靴j′回到S極，和a′的預(yù)置磁通是從N極出發(fā)，經(jīng)過定子b的極靴k和氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子c，再經(jīng)過氣隙和定子b′的極靴k′回到S極。
如果繞組d和d′中并聯(lián)地注入電流，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁通量就和預(yù)置磁通量疊加，使氣隙中磁通分布發(fā)生變化。具體地，極靴j與轉(zhuǎn)子c之間的氣隙處的磁通和極靴k′與轉(zhuǎn)子c之間的氣隙處的磁通增強(qiáng)，而極靴j與轉(zhuǎn)子c之間的氣隙處的磁通和極靴k與轉(zhuǎn)子c之間的氣隙處的磁通減弱。轉(zhuǎn)子受磁力矩作用轉(zhuǎn)向磁通密度大的方向，即從jk與j′k′的中心位置轉(zhuǎn)向j和k′的方向。
如果有彈性元件支持，轉(zhuǎn)子偏離中心位置直到與彈性元件的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)力矩相平衡。但如果沒有彈性元件的支持轉(zhuǎn)子很容易進(jìn)入圖1b所示的情況。從圖1b可以看出，此時(shí)轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)至極靴的極限位置，轉(zhuǎn)子的圓弧面正對著定子極靴的圓弧面，是系統(tǒng)能量最小的配置。在這種極限位置情況下，轉(zhuǎn)子陷入深磁勢能谷，處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，于是轉(zhuǎn)子就不能根據(jù)繞組中注入的電流信號作相應(yīng)擺動(dòng)，因而無法正常工作?？梢?，對于極靴之間有一定間距的傳統(tǒng)擺動(dòng)電極，彈性元件所提供的扭力矩是必不可少的。
另外，彈性元件提供恢復(fù)力矩還有一固有的特征。這類擺動(dòng)電機(jī)屬于力學(xué)的二階振動(dòng)系統(tǒng)，其自諧振頻率為
其中J是轉(zhuǎn)子及其負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，k是彈性元件的扭轉(zhuǎn)彈性常數(shù)。當(dāng)繞組中注入信號的頻率與自諧振頻率f十分接近時(shí)，轉(zhuǎn)子的擺幅就會(huì)極大，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出極靴極限范圍，就必然導(dǎo)致彈性元件的損壞。為消除這一現(xiàn)象，這種擺動(dòng)電機(jī)常在閉環(huán)控制電路，即附有角位置傳感器的條件下工作。
定子極靴間分開的擺動(dòng)電機(jī)還有一更明顯的缺點(diǎn)，就是為使電機(jī)的轉(zhuǎn)子較長時(shí)間保持在某一較大的角位置上，就必須在繞組中維持對應(yīng)的較大的恒定電流，以產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁力矩來和恢復(fù)力矩平衡，此時(shí)繞組中必然有較高的溫升和較大的功率消耗。
本實(shí)用新型改變了現(xiàn)有技術(shù)對擺動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將分開有一定間距的定子極靴緊接合起來。在這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一對永磁體并聯(lián)地安置在兩個(gè)定子之間，緊接合的一對兩極靴有相同極性，另一對緊接合的兩極靴有相同的另一極性。因此，永磁體產(chǎn)生的預(yù)置磁通量，經(jīng)過一端極靴和轉(zhuǎn)子間氣隙，通過轉(zhuǎn)子，再經(jīng)過另一端氣隙返回永磁體。在這樣的結(jié)構(gòu)中永磁體產(chǎn)生預(yù)置磁通是從緊接合的極靴對j和k通過轉(zhuǎn)子c流向另一極靴的j′和k′。轉(zhuǎn)子在極靴對的區(qū)間內(nèi)，定子和轉(zhuǎn)子間氣隙內(nèi)的磁力場是均勻?qū)ΨQ地沿定子和轉(zhuǎn)子間圓弧面分布，且基本垂直于圓弧面，其合力徑向地通過轉(zhuǎn)子的軸心，因此可以近似地認(rèn)為使轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)的力矩接近為零。對于這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不存在將轉(zhuǎn)子束縛在極靴的低磁勢能谷的穩(wěn)態(tài)的情況，在極靴對固定的區(qū)間內(nèi)，轉(zhuǎn)子可以停留在任意位置上。因此，這種結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)電機(jī)可不設(shè)置擺動(dòng)中心，免除了產(chǎn)生必須的恢復(fù)力矩的彈性元件或電磁元件；同時(shí)由于不必在繞組中維持較大的恒定電流(以平衡恢復(fù)力矩)也大大降低了電機(jī)的功率消耗。
為此，本實(shí)用新型提供一種有限轉(zhuǎn)角擺動(dòng)電機(jī)，包括由高導(dǎo)磁合金材料制成的一對定子；在一對定子內(nèi)各設(shè)有一控制線圈繞組；在一對定子之間并聯(lián)安裝一對永磁體；在定子的極靴對內(nèi)可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置一由高導(dǎo)磁合金材料制成的轉(zhuǎn)子；在轉(zhuǎn)子的兩端有軸承支持，上端軸伸聯(lián)接負(fù)載和下端軸伸裝有角位置傳感器，此位置傳感器使電機(jī)在閉環(huán)控制電路中工作；其特征在于該電機(jī)定子的極靴相互緊配合，使其接合部形成一有限的磁阻。
其中，定子極靴的緊接合是通過兩極靴間僅有幾微米至十幾微米的間隙實(shí)現(xiàn)的；也可以在兩極靴間嵌入適當(dāng)尺寸和形狀的高導(dǎo)磁材料，以設(shè)置兩個(gè)或以上間隙實(shí)現(xiàn)的。
本實(shí)用新型還包括具有上述特征的新型擺動(dòng)電機(jī)的另一種變體，即其中永磁體的位置和定子繞組的位置相互替換。這種變體同樣可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
附圖的簡要說明圖1a是現(xiàn)有技術(shù)使用彈性元件以產(chǎn)生扭力矩的擺動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)的橫向剖面示意圖。
圖1b是圖1a所示電機(jī)的轉(zhuǎn)子陷入深磁勢能谷的磁路分布示意圖。
圖2a是本實(shí)用新型的擺動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)縱向剖面示意圖。
圖2b是圖2a的橫向剖面示意圖。
圖2c是圖2b所示電機(jī)轉(zhuǎn)子偏置到極靴極限位置的磁通量回路示意圖。
圖3a是圖2所示電機(jī)的一個(gè)變種-永磁體和繞組的位置互換的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3b是圖3b所示電機(jī)轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)到極靴極限位置的磁通回路示意圖。
以下結(jié)合附圖的圖2-3詳細(xì)說明本實(shí)用新型。
參照圖2a，轉(zhuǎn)子c是由高導(dǎo)磁軟鐵材料制成，兩端有軸承e和e′支持，h為轉(zhuǎn)子的軸伸端用以聯(lián)接負(fù)載，定子b及b′由高導(dǎo)磁材料疊片組成，其上有驅(qū)動(dòng)線圈繞組d和d′，轉(zhuǎn)子c的下端附有角位置傳感器。
參見圖2b，定子b的極靴j和k是緊接合的，定子b′的極靴j′和k′同樣是緊接合的，其間隙o和o′為幾微米-十幾微米；(也可以通過在極靴間嵌入適當(dāng)尺寸和形狀的高導(dǎo)磁軟鐵材料，以形成兩處緊接合間隙O-O1和O′-O1′)。永磁體a和a′并聯(lián)地安裝在兩定子間，磁通量從永磁體N極出發(fā)，同向并聯(lián)地經(jīng)過一端的定子極靴和轉(zhuǎn)子間的氣隙再通過轉(zhuǎn)子，然后再經(jīng)過另一端的氣隙返回到永磁體的S極構(gòu)成回路。極靴中j和k有相同的極性，極靴j′和k′為相同的另一極性，并且氣隙中的磁力線基本垂直于轉(zhuǎn)子的圓弧形端面。
從上磁路分析可知，在擺動(dòng)電機(jī)工作時(shí)，定子的兩端極靴上存在著兩方面磁場的疊加。其一是對轉(zhuǎn)子是并聯(lián)的永磁體的預(yù)置磁通量經(jīng)過極靴，使定子b的極靴對j和k有相同極性，使另一定子b′的極靴對j′和k′有彼此相同但與j和k相反的磁極性。其二是兩定子的繞組注入同向驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁通量，使在定子b的極靴間隙o的磁阻的兩端j和k產(chǎn)生不同的磁極性，在定子b′的極靴間隙o′的磁阻兩端j′和k′產(chǎn)生同樣是不同的磁極性，但由于驅(qū)動(dòng)電流是同向注入的，所以極靴j和極靴j′有相同的磁極性，而極靴k和k′有相同的另一磁性。由此可見，預(yù)置磁通量和驅(qū)動(dòng)磁通量在磁路內(nèi)疊加的結(jié)果，是使某一對角線上的一對極靴(如i-k′)上的磁場由于極性相同的疊加而增強(qiáng)，而使另一對角線上的一對極靴(如j′-k)上的磁場由于極性相反的抵消而減弱。這樣就在一對角線上形成一對極性相反而磁場增強(qiáng)的極靴，而另一對角線上形成一對極性相反而磁場減弱的極靴。因而轉(zhuǎn)子的兩端向磁場增強(qiáng)的方向偏轉(zhuǎn)。
本實(shí)用新型的擺動(dòng)電極必需在閉環(huán)控制電路的條件下工作，即擺動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子附有角位置傳感器，它在轉(zhuǎn)子處于某一角位置θ時(shí)可輸出與之對應(yīng)的電壓ET＝Kθ，K是傳感器靈敏度常數(shù)，輸出電壓是零的角位置定義為θ＝0，它選在極靴接合部的間隙處。注入繞組的電流可以兩種輸入信號的方式工作。
a)如果輸入信號Ei為直流電壓，放大器A輸出的驅(qū)動(dòng)電流使轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)，位置傳感器即有相應(yīng)的電壓ET輸出。當(dāng)ET≠Ei，Ei-ET＝ΔE≠0，放大器A有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流i繼續(xù)輸入定子繞組，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，直到ET＝Ei，Ei-ET＝ΔE＝0時(shí)為止。此時(shí)注入繞組中的電流i＝0，轉(zhuǎn)子被鎖停在相應(yīng)的某角位置上，以θ角度和輸入的直流電壓Ei對應(yīng)。因?yàn)樵谒O(shè)計(jì)的磁路中，轉(zhuǎn)子在定子極靴對的區(qū)間內(nèi)，處處有磁力矩T＝0，因此轉(zhuǎn)子停留在偏轉(zhuǎn)角θ時(shí)不需要維持電流即在繞組中i＝0。也就是在Ei的作用下，轉(zhuǎn)子保持對應(yīng)的某一θ角靜止時(shí)，定子的繞組的功率損耗為零。
b)若輸入信號Ei是變化的，(在可以響應(yīng)的頻率范圍內(nèi))角位置傳感器的輸出電壓ET將跟隨Ei，但此時(shí)ET≠Ei，ΔE≠0，放大器A有輸出電流i注入繞組，使轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就跟隨著變化的輸入信號Ei。由于同樣的理由，轉(zhuǎn)子在偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中僅需克服摩擦產(chǎn)生的阻力，因此只需較小的驅(qū)動(dòng)電流也就是電機(jī)繞組的功耗較小。
參考圖2c，此圖表示圖2b中轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)到極靴的極限位置，即轉(zhuǎn)子的兩端面完全由相對一組定子的極靴j和k′的端面所包覆時(shí)的磁通回路。此時(shí)永磁體的驅(qū)動(dòng)磁通量因經(jīng)過接合部o和o′磁阻，使進(jìn)入轉(zhuǎn)子的磁通量減弱，因而避免了轉(zhuǎn)子c在驅(qū)動(dòng)電流作用下轉(zhuǎn)動(dòng)的妨礙，即轉(zhuǎn)子不會(huì)再束縛在如圖1b所示的深磁勢能谷內(nèi)而不能正常工作。
圖3a是圖2a的一個(gè)變種，即永磁體的位置和繞組的位置作了互換，但其工作原理與圖2a的擺動(dòng)電機(jī)基本相同。永磁體的預(yù)置磁通量經(jīng)過極靴對j和k的接合部間隙o，使磁隙o的磁阻兩端有不同的極性，另一永磁體對極靴j′和k′的磁阻o′也產(chǎn)生同樣的效應(yīng)。因兩個(gè)永磁體是同向安置的，故j和j′具有相同的預(yù)置磁極性，而k和k′具有另一相同的預(yù)置磁極性。當(dāng)兩繞組中注入同向驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁通量使極靴j和k有相同的極性而使j′和k′有相同的另一極性。預(yù)置磁通量與驅(qū)動(dòng)磁通量相互疊加的結(jié)果，使一對角線上極性相反的極靴(如j-k′)的磁通密度增強(qiáng)，而使另一對角線上(如相應(yīng)為j′-k)的磁通密度減弱。于是，轉(zhuǎn)子c就向j和k′的對角線方向偏轉(zhuǎn)。對于這種變體來說，同樣地由于極靴jj′和kk′是緊接合的，其接合部氣隙o及o′的有限磁阻分流了永磁體一部分預(yù)置磁通量，因而也減弱了永磁體的預(yù)置磁通量對轉(zhuǎn)子的控制作用。在閉路即附有角位置傳感器的工作條件下，無論輸入信號是恒定還是交變的，由于不需要在繞組中維持較大的電流，因而電機(jī)的功率消耗也同樣最小。
最后參考圖3b，此圖表示圖3a的轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)到極靴的極限位置，即轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)至完全進(jìn)入對角線(如j′-k)的極靴內(nèi)的狀況。此時(shí)，兩個(gè)永磁體的預(yù)置磁通量由極靴j′經(jīng)氣隙通過轉(zhuǎn)子c再經(jīng)過氣隙進(jìn)入極靴k而返回各自永磁體。由于磁靴緊接合，其接合部氣隙o和o′的有限磁阻分流了部分預(yù)置磁通量，可以使極靴和轉(zhuǎn)子兩端面的磁通密度充分減弱，因而也避免了轉(zhuǎn)子c陷入如圖1b所示的深磁勢能谷內(nèi)而不能正常工作的狀況。
權(quán)利要求1.一種有限轉(zhuǎn)角擺動(dòng)電機(jī)，包括由高導(dǎo)磁合金材料制成的一對定子；在一對定子內(nèi)各設(shè)有一控制線圈繞組；在一對定子之間并聯(lián)安裝一對永磁體；在定子的極靴內(nèi)可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置一個(gè)由高導(dǎo)磁合金材料制成的轉(zhuǎn)子；在轉(zhuǎn)子的兩端有軸承支持，上端軸伸聯(lián)接負(fù)載和下端軸伸裝有角位置傳感器，此位置傳感器使電機(jī)在閉環(huán)控制電路中工作；其特征在于該電機(jī)定子的極靴相互緊接合，使其接合部形成一有限的磁阻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的擺動(dòng)電機(jī)，其中極靴的相互緊接合是通過兩極靴間僅有一個(gè)幾微米至十幾微米的間隙實(shí)現(xiàn)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的擺動(dòng)電機(jī)，其中極靴的相互緊配合是通過在兩極靴間嵌入適當(dāng)尺寸和形狀的高導(dǎo)磁材料，以設(shè)置兩個(gè)或以上間隙實(shí)現(xiàn)的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一擺動(dòng)電機(jī)，其中永磁體的位置和定子繞組的位置相互替換。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種新型的有限轉(zhuǎn)角擺動(dòng)電機(jī),它改變了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),將分開有一定間距的定子極靴緊密接合,使其接合部形成一有限的磁阻。這種結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)子與極靴對的區(qū)間內(nèi)的偏轉(zhuǎn)力矩接近為零,轉(zhuǎn)子可不受約束地停留在任意位置上。因此,這種擺動(dòng)電機(jī)可不設(shè)置擺動(dòng)中心,免除了產(chǎn)生恢復(fù)力矩的彈性元件或電磁元件。同時(shí),必需在閉環(huán)控制電路條件下工作,由于不必在繞組中維持較大的恒定電流以平衡恢復(fù)力矩,也大大降低了電機(jī)的功率消耗。
文檔編號H02K35/00GK2298615SQ9720342
公開日1998年11月25日 申請日期1997年4月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月15日
發(fā)明者徐惠國 申請人:徐惠國