一种双磁钢式磁路对称的湿式耐高压旋转电磁铁技术领域
本发明属于流体传动及控制领域中的电-机械能量转换装置，尤其涉及一种双磁钢式磁路对称的湿式耐高压旋转电磁铁。
背景技术
近年来，利用伺服螺旋机构原理工作的2D数字伺服阀因其具有结构简单，响应速度快，精度高，抗污染能力强等优点，而在金属材料试验机、地震模拟震动台以及相关航空航天领域等得到了广泛应用。常规的2D数字伺服阀用电-机械转换器一般为混合励磁的旋转电磁铁，其结构按照电磁铁定子分相方式的不同可以分为轴向分相和径向分相两种，前者与后者相比有以下几个优点：第一、采用轴向分相，控制绕组可以用环形线圈，绕制和下线工艺简单，线圈漆皮不易受伤,电磁铁的电气可靠性优于径向分相结构；第二、轴向分相的电磁铁可以采用O形密封圈对转子容腔进行密封，从而可以使得油液进入转子工作腔，使其成为“湿式”的电-机械转换器，将其直接与2D数字阀相连，可构成所谓的直动阀，有利于结构设计及取消动密封；第三、径向分相结构由于要留出空间绕制线圈，其定子空间无法全部用于开齿。而轴向分相结构整个定子圆周上可全部开齿，提高了有效空间的利用情况，从而提升了电磁铁的输出力矩。
轴向分相式电磁铁的基本工作原理都是将定子分为单相或者两相置于永磁体的单边或者两边，定子依次和转子构成若干段环形的工作气隙，永磁体在工作气隙下产生极化磁场，励磁线圈在其所属定子相内产生控制磁场，励磁电流方向变化而引起控制磁场对永磁体极化磁场作差动叠加以产生电磁力矩。如果假设定转子铁芯磁阻为零，则永磁体在工作气隙下产生的极化磁场强度相同，此时磁路对称，即电磁铁在不同方向励磁电流下获得的矩角特性幅值相等，矩角特性是对称的；然而实际情况是定转子铁芯都具有一定的磁阻，按照磁路理论，此时距离永磁体较远的工作气隙下的极化磁场强度较弱，而距离永磁体较近的工作气隙下的极化磁场较强，这就造成了电磁铁磁路不对称，当励磁电流的磁场和永磁体的磁场差动叠加时，电磁铁的矩角特性受到励磁电流方向的影响，即在不同方向的励磁电流下获得的矩角特性幅值不等，呈现出一种不对称的特征，当将其作为阀用电-机械转换器使用时，这种不对称的矩角特性会影响到2D数字阀的定位精度，使其无法呈现出应有的高性能。为解决这个问题,也有专利提出将转子和定子齿在径向和轴向上同时错齿,并采用定转子保持架注塑成型的方法构成磁路对称的插片式旋转电磁铁,其矩角特性可保持严格对称,缺点是定转子无法用传统的机械加工方式进行，制作时需要专门的注塑模具,费时费力；另外,插片式旋转电磁铁也无法构成“湿式”耐高压的电-机械转换器。
发明内容
为了克服现有的磁路对称式旋转电磁铁定转子无法用传统的机械加工方式进行，其制作时需要专门的注塑模具,费时费力,且无法构成“湿式”耐高压电-机械转换器的问题，本发明提出一种结构简单且加工简便的磁路对称式湿式耐高压旋转电磁铁。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种双磁钢式磁路对称的湿式耐高压旋转电磁铁，包括前段盖和后端盖，所述的前段盖和后端盖上安装有转子部件，所述的转子部件两侧的前段盖和后端盖上分别安装有定子部件；所述转子部件包括通过第一轴承和第二轴承安装在前端盖和后端盖上的转子轴，可绕中心轴线转动，所述的转子轴上过盈连接有转子；所述的定子部件包括安装在转子两侧的第一永磁体、第二永磁体、第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁、第四轭铁、线圈和线圈保持架；所述的第一轭铁与第一永磁体之间通过第一密封圈密封连接，所述的第一永磁体与第二轭铁之间通过第七密封圈密封连接；所述的第三轭铁与第二永磁体之间通过第二密封圈密封连接，所述的第二永磁体与第四轭铁之间通过第八密封圈密封连接；所述的第一轭铁与前段盖之间通过第三密封圈密封连接，所述的第四轭铁与后端盖之间通过第四密封圈密封连接；所述的线圈保持架与第二轭铁之间通过第五密封圈密封连接，所述的线圈保持架与第三轭铁之间通过第六密封圈密封连接。
所述的第一轭铁、第一永磁体、第二轭铁、第三轭铁、第二永磁体、第四轭铁依次安装在前段盖和后端盖之间，所述的第二轭铁和第三轭铁上开设有开口，且所述的第二轭铁和第三轭铁上的开口相对放置形成空腔；所述的空腔内安装有线圈保持架，所述的线圈保持架为圆环状的线圈保持架，所述的线圈保持架上环绕有线圈组成电流励磁源；所述的前段盖、第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁、第四轭铁和后端盖之间依次穿过第一轴且利用第三轴承、第四轴承固连，使第一轭铁、第四轭铁分别镶嵌在前端盖和后端盖的侧壁内。
所述的第一轭铁和第四轭铁均呈圆环状；所述的第二轭铁和第三轭铁均呈半开口状，且所述第二轭铁、第三轭铁上的开口相对放置形成空腔；所述的第一轭铁和第四轭铁的两侧均开设有圆环形凹槽，所述第二轭铁和第三轭铁的一侧均开设有圆环形凹槽；所述的第一永磁体为圆环状第一永磁体，所述的第二永磁体为圆环状第二永磁体；所述的第一轭铁的其中1个圆环形凹槽和第二轭铁的圆环形凹槽内镶嵌有第一永磁体，且被轴向磁化成N极和S极；所述的第三轭铁的其中1个圆环形凹槽和第四轭铁的圆环形凹槽内镶嵌有第二永磁体，且被轴向磁化成N极和S极；所述的第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁、第四轭铁内圆环的圆周面均布开设有小齿，且第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁、第四轭铁上的小齿齿数相同；所述的第一轭铁的另1个圆环形凹槽镶嵌在前端盖的凸台上；所述第四轭铁的另1个圆环形凹槽镶嵌在后端盖的凸台上。
所述第一轭铁、第四轭铁齿形位置相同，所述的第二轭铁和第一轭铁之间错齿1/4个齿距，所述的第三轭铁和第二轭铁之间错齿1/2个齿距；所述的第三轭铁外表面开有导线引出孔，以方便将线圈端引出与外界控制电路相连。
所述的转子为空心杯状转子，内表面呈方形孔且所述的转子外圆周面均开设有均匀分布的小齿，所述的转子上的小齿与第一轭铁、第二轭铁、第三轭铁、第四轭铁上的小齿齿数相等。
所述的前段盖和后端盖之间穿过第二轴且利用第五轴承固连。
所述的前端盖为不导磁材料制成的非导磁体前端盖；所述的后端盖为不导磁材料制成的非导磁体后端盖；所述的线圈保持架为不导磁材料制成的非导磁体线圈保持架；所述的转子轴为不导磁材料制成的非导磁体转子轴；所述第一轭铁为软磁材料制成的导磁体第一轭铁；所述的第二轭铁为软磁材料制成的导磁体第二轭铁；所述的第三轭铁为软磁材料制成的导磁体第三轭铁；所述的第四轭铁为软磁材料制成的导磁体第四轭铁；所述的转子为软磁材料制成的导磁体转子。
本发明的有益效果为：1、通过改进的双磁钢式电磁设计，使得通过机械加工的方式也可以制作出磁路对称的湿式耐高压旋转电磁铁，其结构简单，加工便利；2、采用了简单可靠的耐高压结构，使得电磁铁具备在湿式状态下工作的能力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明转子轴的结构示意图；
图3为本发明转子的结构示意图；
图4为本发明第二轭铁的结构示意图；
图5为本发明第三轭铁的结构示意图；
图6为本发明后端盖或前端盖的结构示意图；
图7为本发明第一永磁体或第二永磁体的结构示意图；
图8为本发明转子轴一侧的转子部件和定子部件的初始位置的工作原理示意图；
图9为本发明转子轴一侧的转子部件和定子部件，且线圈通X方向电流时的工作原理示意图；
图10为本发明转子轴一侧的转子部件和定子部件，且线圈通⊙方向电流时的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～7所示，一种双磁钢式磁路对称的湿式耐高压旋转电磁铁，包括前段盖3和后端盖12，所述的前段盖3和后端盖12上安装有转子部件，所述的转子部件两侧的前段盖3和后端盖12上分别安装有定子部件；所述转子部件包括通过第一轴承28和第二轴承19安装在前端盖3和后端盖12上的转子轴14，可绕中心轴线转动，所述的转子轴14上过盈连接有转子29；所述的定子部件包括安装在转子29两侧的第一永磁体5、第二永磁体10、第一轭铁4、第二轭铁6、第三轭铁9、第四轭铁11、线圈7和线圈保持架8；所述的第一轭铁4与第一永磁体5之间通过第一密封圈26密封连接，所述的第一永磁体5与第二轭铁6之间通过第七密封圈25密封连接；所述的第三轭铁9与第二永磁体10之间通过第二密封圈22密封连接，所述的第二永磁体10与第四轭铁11之间通过第八密封圈21密封连接；所述的第一轭铁4与前段盖3之间通过第三密封圈30密封连接，所述的第四轭铁11与后端盖12之间通过第四密封圈20密封连接；所述的线圈保持架8与第二轭铁6之间通过第五密封圈24密封连接，所述的线圈保持架8与第三轭铁9之间通过第六密封圈23密封连接。
所述的第一轭铁4、第一永磁体5、第二轭铁6、第三轭铁9、第二永磁体10、第四轭铁11依次安装在前段盖3和后端盖12之间，所述的第二轭铁6和第三轭铁9上开设有开口，且所述的第二轭铁6和第三轭铁9上的开口相对放置形成空腔；所述的空腔内安装有线圈保持架8，所述的线圈保持架8为圆环状的线圈保持架，所述的线圈保持架8上环绕有线圈7组成电流励磁源；所述的前段盖3、第一轭铁4、第二轭铁6、第三轭铁9、第四轭铁11和后端盖12之间依次穿过第一轴1且利用第三轴承2、第四轴承13固连，使第一轭铁4、第四轭铁11分别镶嵌在前端盖3和后端盖12的侧壁内。
所述的第一轭铁4和第四轭铁11均呈圆环状；所述的第二轭铁6和第三轭铁9均呈半开口状，且所述第二轭铁6、第三轭铁9上的开口相对放置形成空腔；所述的第一轭铁4和第四轭铁11的两侧均开设有圆环形凹槽27，所述第二轭铁6和第三轭铁9的一侧均开设有圆环形凹槽27；所述的第一永磁体5为圆环状第一永磁体，所述的第二永磁体10为圆环状第二永磁体；所述的第一轭铁4的其中1个圆环形凹槽27和第二轭铁6的圆环形凹槽27内镶嵌有第一永磁体5，且被轴向磁化成N极和S极；所述的第三轭铁9的其中1个圆环形凹槽27和第四轭铁11的圆环形凹槽27内镶嵌有第二永磁体10，且被轴向磁化成N极和S极；所述的第一轭铁4、第二轭铁6、第三轭铁9、第四轭铁11内圆环的圆周面均布开设有小齿32，且第一轭铁4、第二轭铁6、第三轭铁9、第四轭铁11上的小齿32齿数相同；所述的第一轭铁4的另1个圆环形凹槽27镶嵌在前端盖3的凸台上；所述第四轭铁11的另1个圆环形凹槽27镶嵌在后端盖12的凸台上。
所述第一轭铁4、第四轭铁11齿形位置相同，所述的第二轭铁6和第一轭铁4之间错齿1/4个齿距，所述的第三轭铁9和第二轭铁6之间错齿1/2个齿距；所述的第三轭铁9外表面开有导线引出孔31，以方便将线圈7端引出与外界控制电路相连。
所述的转子29为空心杯状转子，内表面呈方形孔且所述的转子29外圆周面均开设有均匀分布的小齿32，所述的转子29上的小齿32与第一轭铁4、第二轭铁6、第三轭铁9、第四轭铁11上的小齿32齿数相等。
所述的前段盖3和后端盖12之间穿过第二轴15且利用第五轴承16固连。
所述的前端盖3为不导磁材料制成的非导磁体前端盖；所述的后端盖12为不导磁材料制成的非导磁体后端盖；所述的线圈保持架8为不导磁材料制成的非导磁体线圈保持架；所述的转子轴14为不导磁材料制成的非导磁体转子轴；所述第一轭铁4为软磁材料制成的导磁体第一轭铁；所述的第二轭铁6为软磁材料制成的导磁体第二轭铁；所述的第三轭铁9为软磁材料制成的导磁体第三轭铁；所述的第四轭铁11为软磁材料制成的导磁体第四轭铁；所述的转子29为软磁材料制成的导磁体转子。
本实施例以转子29外圆周面上均匀分布开设有7个小齿35的结构为例，结合附图对本发明作进一步说明。
当有油液进入转子工作腔时，所述的第一轭铁4与第二轭铁6之间通过第一密封圈26、第七密封圈25密封连接；所述的第三轭铁9与第四轭铁11之间通过第二密封圈22、第八密封圈21密封连接；所述的第一轭铁4与前段盖3之间通过第三密封圈30密封连接，所述的第四轭铁11与后端盖12之间通过第四密封圈20密封连接=，以防止油液从电磁铁零部件之间的配合间隙中泄漏出来；所述的线圈保持架8与第二轭铁6之间通过第五密封圈24密封连接，所述的线圈保持架8与第三轭铁9之间通过第六密封圈23密封连接，使得线圈7与充满油液的转子工作腔相隔离；上述的耐高压结构简单可靠，容易实现，从而使得电磁铁具有了在湿式状态下工作的能力。
如图8所示，在线圈7不通电的情况下，整个电磁铁只有第一永磁体5、第二永磁体10产生的极化磁场，而且磁路左右对称，使得电磁铁在不工作时能够停留在初始平衡位置，而且在断电时自动回复原位；
工作原理：如图8所示，第一轭铁4、第二轭铁6、第三轭铁9、第四轭铁11分别与转子29形成四段有效工作气隙δd、δc、δb、δa，当线圈7不通电流时，各极下工作气隙内只有第一永磁体5和第二永磁体10产生的极化磁场，电磁铁将会自动停留在系统总磁导最大的位置，即初始位置；当线圈7通入如图9所示X方向的电流时，各极下工作气隙内不仅有第一永磁体5和第二永磁体10产生的极化磁场，还有线圈7产生的控制磁场，工作气隙δa和δd只有第一永磁体5和第二永磁体10产生的极化磁场，工作气隙δb和δc既有第一永磁体5和第二永磁体10产生的极化磁场，也有线圈7产生的控制磁场，而在工作气隙δc处极化磁场和控制磁场产生的磁通相互叠加而增强，在工作气隙δb处极化磁场和控制磁场产生的磁通相互抵消而减弱，则此时电磁铁转子受到顺时针方向的力矩（从左向右看）转动1/4个齿距达到新的平衡位置，如图9所示；同样地，当线圈7通入如图10所示⊙方向的电流时，各极下工作气隙内不仅有第一永磁体5和第二永磁体10产生的极化磁场，还有线圈7产生的控制磁场，工作气隙δa和δd只有第一永磁体5和第二永磁体10产生的极化磁场，工作气隙δb和δc既有第一永磁体5和第二永磁体10产生的极化磁场，也有线圈产生的控制磁场，而在工作气隙δc处极化磁场和控制磁场产生的磁通相互抵消而减弱，在工作气隙δb处极化磁场和控制磁场产生的磁通相互叠加而增强，则此时电磁铁转子受到逆时针方向的力矩（从左向右看）转动1/4个齿距达到新的平衡位置，如图10所示。
当线圈断电，电磁铁在第一永磁体5和第二永磁体10极化磁场的作用下回到如图8所示的初始平衡位置。可以看到，只要线圈7的电流通断，就可以控制电磁铁的双向快速来回动作，而适当调整电磁铁本身的结构参数，可以控制转子转动的角度。
本实施例通过改进的双磁钢式电磁设计，使得通过机械加工的方式也可以制作出磁路对称的湿式耐高压旋转电磁铁，其结构简单，加工便利；而且采用了简单可靠的耐高压结构，使得电磁铁具备在湿式状态下工作的能力。
上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。