[发明专利]基于环形气隙的双自由度力矩马达

说明书

基于环形气隙的双自由度力矩马达，包括转轴沿水平面设置的衔铁，衔铁包括两侧斜翼面，且均呈以垂直于水平面、竖直向上的轴为中心轴的180°阵列特征；衔铁两侧对称地设置有第一轭铁、第二轭铁，两轭铁的内侧呈圆弧形、外侧分别绕有线圈，两轭铁的内侧壁面均开有与邻近的衔铁斜翼面的侧端相对于转轴的倾斜方向相同的斜槽；衔铁的斜翼侧端呈弧面，衔铁的斜翼侧端跨越所述的斜槽，并与第一轭铁被斜槽分割的两个弧面、第二轭铁被斜槽分割的两个弧面形成四个工作气隙；两轭铁的内侧的上、下部分别架设一个永磁体；衔铁上下脊面连接一个弹簧杆，其球头端则分别可活动地插入弹簧顶板的球窝中。

技术领域

本发明涉及电液伺服控制元件领域，尤其是一种双自由度力矩马达。

背景技术

自四十年代出现以来，电液伺服控制技术便以其功率重量比高、输出力(力矩)大和静动态特性优异等显著特点在机电传动与控制技术中占据了高端位置，被视为各国工业的核心竞争力，在航空航天、军用武器、船舶、大型电站、钢铁、材料试验机和振动台等各种关键场合均有重要应用。在电液伺服控制系统中，电液伺服阀起着机-电转换和信号放大的作用，在很大程度上对整个系统的性能具有决定性的影响。

为了获得理想的静动态特性，人们通常将伺服阀设计成导控式的多级结构。阮健等在哈尔滨工业大学攻读博士学位时提出了一种基于阀芯双自由度的二维流量放大机构设计思想：一般的滑阀阀芯具有径向旋转和轴向移动两个自由度，且不相互干涉，因而可以用这两个自由度分别实现导控级和功率级的功能，考虑到滑阀阀口的面积梯度可以做的很大，且阀芯在阀孔中也较容易与端盖等配合形成敏感腔，一般可用阀芯的旋转运动实现导控级的功能，而用直线运动来实现功率级的开口。

基于该原理，阮健等提出了一种位置直接反馈式二维电液伺服阀，通过开设在阀套内表面的一对螺旋槽和阀芯外圆面的一对高低压孔相交面积构成的液压阻力半桥来控制敏感腔的压力，当电-机械转换器带动阀芯转动时，阀套上螺旋槽和阀芯上高低压孔构成的弓型节流口面积差动变化，导致阀芯两端液压力失去平衡而轴向移动，在此过程中阀芯位移又反馈给螺旋槽和高低压孔构成的弓型节流口面积，最终使其逐渐趋向于相等，此时阀芯停止移动并处于新的平衡位置。该阀的主要优点是将原本分立的导控级和功率级合二为一，集成于单个阀芯上，不但结构简单、动态响应快，而且阀的抗污染能力得到了极大的提高。然而该阀也存在问题：其阀套上的空间螺旋槽结构一般需要三轴以上的进口电火花机床才能加工，成本较高，且加工效率很低，同时由于其处于阀套内表面，加工精度难于保证，检测时也较为困难。

为了降低加工成本，孟彬等提出一种基于阀芯双自由度的二维力反馈式电液伺服阀，其反馈方式由位置直接反馈式改为了位移-力矩反馈式(一般简称为位移-力反馈式或者力反馈式)，由此其阀芯由空间螺旋槽改为直槽，大大降低了加工成本，同时阀芯失去了位置直接反馈的功能；普通的力矩马达是喷嘴挡板伺服阀和射流管伺服阀常用的电-机械转换元件，其输出力矩大，动态响应高，但是衔铁为平翼结构，其只能绕旋转轴转动，并不具备反馈功能；该电液伺服阀的电-机械转换器采用一种桨翼式力矩马达，在保留了普通力矩马达优点的基础上，将阀芯直槽缺失的反馈能力集成在其中，实现了二维电液伺服阀位移-力反馈控制，且降低了加工难度。

桨翼式力矩马达采用了矩形气隙，使其衔铁倾角过大时，或是气隙距离过小时，限制了衔铁轴向位移行程以及转角的最大位置；由于倾角越大，气隙越小，力矩马达反馈的磁力矩就越大，矩形气隙的存在产生了衔铁位移和大倾角、小气隙的矛盾，无法达到最优设计。为解决这一矛盾，提出一种基于环形气隙的新型双自由度力矩马达。

发明内容

为了克服已有的力矩马达无法同时满足带反馈，大倾角，小气隙，长行程的不足，本发明提供一种基于环形气隙的双自由度力矩马达。

为了解决上述技术问题采用的技术方案为：