基于哈尔巴赫阵列自屏蔽特性的直驱泵用直线振荡电机

摘要

本发明公开一种基于哈尔巴赫阵列自屏蔽特性的直驱泵用直线振荡电机，包括圆筒状的外层定子与内层动子以及永磁体、支撑轴、线圈绕组、直线轴承、谐振弹簧和端盖。内层动子位于外层定子内部。外层定子内壁周向开有线圈绕组槽。内层动子可在外层定子内振荡运动；内层动子外壁上安装有采用哈尔巴赫阵列排布方式的永磁体，内部设置有支撑轴，支撑轴两端通过端盖与外层定子两端固定；支撑轴上套接直线轴承与两个谐振弹簧，两个谐振弹簧位于直线轴承两端；谐振弹簧、直线轴承均与内层动子间相对固定；内层动子一端穿过同端端盖后，通过球铰连接头，实现与外部执行机构相连。本发明的优点为：轴向上的输出力大、利用率高，且整体结构紧凑。

说明书

技术领域

本发明涉及一种直线振荡电机，具体来说，是一种基于哈尔巴赫阵列自屏蔽特性的直线 振荡电机，主要针对直接驱动固液一体化作动器液压伺服泵(直驱泵)。

背景技术

目前功率电传系统中常用的一体化作动器：采用机械传动方式的机电作动器 EMA(Electro-mechanical Actuator)，采用液压传动方式的电动静液作动器EHA(Elector- hydrostatic Actuator)和集成电液作动器IAP(Integrated Actuation Package)等。

采用机械传动机电作动器EMA中通常包括电动机、减速器和滚珠丝杠等元件，电动机 在电能的驱动下输出高转速、低扭矩的旋转运动，经减速器后转换为低转速、小扭矩的旋转 运动，最后经滚珠丝杠转换为驱动舵面需要的直线运动。然而，机械传动装置具有的体积质 量大、可靠性低等缺点使得EMA在现有的技术水平下还不能适应飞行器的需求。

采用液压传动的电动静液作动器EHA中通常包括电动机、液压泵和作动筒等主要元件， 电动机带动液压泵将电能转换大小可控的液压能，直接驱动作动筒从而获得驱动舵面所需的 直线运动，因而具有和传统液压传动系统相同的功率密度大的优势，同时又采用容积控制消 除了液压节流损失，提高了液压传动系统能量转换效率。然而整个EHA系统存在下面问题：

1、精度问题：电机的低转速性能不稳定，液压泵的摩擦与泄露问题突出，控制精度与稳 定性是个难点；

2、动态问题：控制电机-泵组的惯量大，液压泵的液压刚度低，需要频繁的双向起停控 制，EHA系统频宽无法获得突破；

3、可靠性与寿命问题：余度配置复杂，容错能力差，可靠性低，电机的转速范围比较宽 (最高可达1万转以上)，制约了液压泵的寿命，在国外民用飞机上目前主要是用做备份使用。

针对上述EHA不足，目前提出采用一种直接驱动固液复合一体化作动器的概念，来提 高EHA系统总体性能，直接驱动工作原理是利用直线驱动器直接驱动柱塞吸压油，抛弃了 传统EHA旋转变直线运动需要的旋转轴、斜盘、配流盘等部件，这种方式的优点为：

A、直接驱动固液复合一体化作动器结构简化，惯量减小，动态性能得到提升；

B、没有了柱塞泵旋转带来的各种摩擦，可靠性增强，效率更高；

C、可以进行模块化的设计组合，余度配置灵活，单个柱塞独立控制，抗故障能力增强， 提高可靠性；

目前一体化作动器中直接驱动液压伺服泵采用的直线驱动器主要是智能材料，如：压电 陶瓷、磁致伸缩、形状记忆合金等，由此使直线驱动器具有大功率密度与输出力，动态性能 好，频响高，高分辨率，且体积小，设计结构简单。

但采用智能材料的直线驱动器受限于自身输出行程短，如：压电陶瓷，仅有0.1mm，所 以很难实现大的流量与大的输出功率，因此目前基于智能材料的直接驱动液压伺服泵主要应 用在小型导弹、飞行器的应用研究上，基本上还不能达到在体积、质量相当条件下传统EHA 中旋转柱塞泵的系统压力、功率指标。这成为制约直接驱动液压伺服泵在大功率输出应用领 域发展的瓶颈，限制了直接驱动液压伺服泵独具有高动态特性、高可靠性、余度配置控制灵 活性等诸多优势的充分发挥。

发明内容

本发明针对目前直接驱动液压伺服泵用直线驱动器存在的输出位移小，造成泵系统输出 流量低、功率低等问题，提出将电磁驱动方式的直线振荡电机应用于直接驱动液压伺服泵中， 取代传统的EHA用旋转电机作为固液复合一体化舵机液压伺服泵的直线驱动装置，另外针 对直线振荡电机在较高频率往复运动时存在较大动子惯性力造成的电机有效输出力降低、功 率密度受限等问题，提出一种基于哈尔巴赫阵列永磁体空心动子磁路设计结构，同时提出在 动子空心处安装谐振弹簧抵消动子惯性力的结构设计方式。

本发明提出一种基于哈尔巴赫阵列自屏蔽特性的直驱泵用直线振荡电机，包括外层定子、 内层动子、永磁体、支撑轴、线圈绕组、直线轴承、谐振弹簧与端盖。外层定子为具有圆筒 状通道的结构，内层动子为圆筒状结构，内层动子位于外层定子内部。

所述外层定子内侧壁周向上等间距开有至少2个线圈绕组槽，用来设置线圈绕组。所述 内层动子两端具有外凸边缘，内层动子两端外凸边缘的外壁与外层定子内壁间具有1mm气 隙距离；内层动子外壁周向上安装有永磁体，永磁体采用哈尔巴赫阵列排布方式。内层动子 内部设置有支撑轴，支撑轴两端贯穿于内层动子两端，且通过端盖将支撑轴两端分别与外层 定子两端固定锁紧。支撑轴中部套接有直线轴承，支撑轴上还套接有两个谐振弹簧，两个谐 振弹簧分别位于直线轴承两端；谐振弹簧与内层动子间位置相对固定；直线轴承与内层动子 位置相对固定。内层动子左端或右端设计为至少两瓣式连接体，连接体穿过与外层定子左端 或右端固连的端面后，通过具有球铰的外部设备连接头，实现与外部柱塞等执行机构相连。

上述结构中内层动子、支撑轴、外层定子同轴，且直线轴承中心处到外层定子左右两侧 端盖中心处的距离相等。

本发明的优点在于：

1、本发明直线振荡电机中永磁体采用哈尔巴赫阵列排布方式，可增加永磁体外侧与外层 定子1内壁间气隙处的磁感应强度，从而增大本发明直线振荡电机轴向上的输出力；

2、本发明直线振荡电机利用哈尔巴赫阵列排布方式的自屏蔽特性，并采用空心式内层动 子设计方式，大大减小电机内层动子质量与惯性力，提高了直线振荡电机利用率，从而很大 程度的提高整个直驱泵的动态特性。

3、本发明直线振荡电机采用谐振弹簧来对电机往复运动换向时提供回复力，减小对电机 输出力的要求；谐振弹簧的使用也对内层动子往复运动行程起到限位作用；同时，由于谐振 弹簧具有抵消内层动子惯性力的作用，当应用刚度适当的谐振弹簧，可使整个内层动子系统 实现自激振荡，完全抵消内层动子惯性力，电机利用率最高；

4、本发明直线振荡电机在机械结构设计上，由于电机内层动子刚好是空心式设计，正好 可以将谐振弹簧安装到内层动子的内层空心，由此相对于以往的直线振荡电机两边安装弹簧 的方式，大大减小了电机的轴向尺寸与质量，使电机整体设计更加紧凑。

附图说明

图1是本发明直线振荡电机结构剖视图；

图2是本发明直线振荡电机磁路设计示意图。

图中：

1-外层定子    2-内层动子    3-永磁体            4-支撑轴

5-线圈绕组    6-直线轴承    7-谐振弹簧          8-端盖

9-卡簧        10-连接体     11-外部设备连接头   12-线圈绕组槽

13-外凸边缘   14-环形凸台

具体实施方式

下面结合附图来对本发明做进一步说明。

本发明直线振荡电机，包括外层定子1、内层动子2、永磁体3、支撑轴4、线圈绕组5、 直线轴承6、谐振弹簧7与端盖8。

其中，外层定子1为圆筒状结构，本发明中将外层定子1设计为具有圆筒状通道的长方 体结构，由此为整个一体化泵中多个直线振荡电机的集成提供安装设计条件。内层动子2同 样为圆筒状结构，位于外层定子1内部，内层动子2两端具有外凸边缘，本发明中设计内层 动子2两端外凸边缘的外壁与外层定子1内壁间具有1mm气隙距离，由此可使内层动子2 在外层定子1内进行往复震荡。所述内层动子2外壁周向上安装有永磁体3，由此可通过内 层动子2支撑永磁体3。上述永磁体3采用哈尔巴赫阵列排布方式，可增加永磁体3外侧与 外层定子1内壁间气隙处的磁感应强度，从而增大本发明直线振荡电机轴向上的输出力；由 于本发明中内层动子2采用圆筒形的空心结构，且根据哈尔巴赫阵列的自屏蔽特性，可使内 层动子2侧壁中的磁力线互相抵消，由此不再像传统的实心结构内层动子2，可大大减小内 层动子2的质量与惯性力，提高了直线振荡电机利用率，从而很大程度的提高整个直驱泵的 动态特性。

所述外层定子1内侧壁周向上等间距开有至少2个线圈绕组槽12，用来设置铜制线圈 绕组5，通过线圈绕组5在外层定子1中产生直流磁场，与永磁体3的恒定磁场相互作用， 使内层动子2产生轴向上的输出力。如图2所示，图中“·”代表线圈绕组中电流方向向外， “×”代表线圈绕组中电流方向向内，永磁体3箭头方向代表永磁体3充磁方向；设计的电 机是单相直流控制，所以在电流方向一定的情况下，动子有效输出力在作用内层动子2的行 程s内，方向是不变的，需要改变电流的方向来改变输出力方向。一般来讲，在外层定子1 轴向长度一定的情况下，线圈绕组槽12数量越多(即槽密度越大)，则气隙内磁场分布更均 匀，内层动子2轴向输出力更平稳，但实际应用中线圈绕组槽12数量又不能过多，过多会 使直线振荡电机线圈绕组电流方向恒定时有效输出力作用行程s变短，因此行程s应与相邻 两线圈绕组槽12的间距(槽距)成正比，且小于槽距，同时，设计的直线振荡电机内层动 子2行程s需根据外部与之相连的泵活塞的运动位移考虑，一般设计s≤20mm，外层定子 1槽距大于20mm，因此根据输出力大小、平稳性以及动子行程s的要求，本实施例中在外 层定子1内侧壁周向上设计等间距24mm的六个线圈绕组槽12。

内层动子2内部设置有支撑轴4，支撑轴4两端贯穿于内层动子2两端，且通过端盖8 将支撑轴4两端分别与外层定子1两端固定锁紧。支撑轴4中部套接有直线轴承6，支撑轴 4上还套接有两个谐振弹簧7，两个谐振弹簧7分别位于直线轴承6两端。为了实现谐振弹 簧7与内层动子2间的相对定位，因此在内层动子2内侧壁中部周向上设计有环形凸台14， 由此在环形凸台14左右两端面与内层动子左右两端固定的端盖8间形成谐振弹簧7设置腔， 将谐振弹簧7一端与环形凸台14端面贴合，另一端与端盖8贴合，实现谐振弹簧7与内层 动子2间的相对定位，且将谐振弹簧7设置在内层动子2内部，可充分利用整体直线振荡电 机的设计空间，与传统的内层动子2两边安装谐振弹簧的方式相比，大大减小了直线振荡电 机的整体设计结构尺寸。为了实现直线轴承6与内层动子2间相对定位，使直线轴承6与环 形凸台14内壁间具有过盈配合，且直线轴承6的两端分别与固定在内层动子2内侧壁中的 两个卡簧9贴合，由此实现直线轴承6与内层动子2间的相对固定。通过上述结构使直线轴 承6与支撑轴4配合使内层动子2可在支撑轴4上滑动，且谐振弹簧7随内层动子2的滑 动被压缩，由此通过谐振弹簧7压缩后产生的抗力可抵消电机停止或换向时需要克服的惯性 力，同时通过谐振弹簧7可以对内层动子2行程s进行限位控制。

上述结构中内层动子2、支撑轴4、外层定子1三者同轴，且直线轴承6中心处到外层 定子1左右两侧端盖8中心处的距离相等，此时直线振荡电机中各部分位置为标定位置。同 时，本发明中两个谐振弹簧7刚度相同，均为40～80N/mm，且两个谐振弹簧7预压缩量 相同。

为了在直线振荡电机内层动子2振荡起来后，通过谐振弹簧7压缩后产生的抗力完全抵 消电机停止或换向时需要克服的惯性力，本发明中谐振弹簧7的刚度为K＝4π²f²m，其中f 为内层动子2运动频率，m为内层动子2的质量，且每个谐振弹簧7的预压缩量大于s/2， 由此使直线振荡电机的电磁输出力为用于产生直驱泵系统的高压输出力，提高直线振荡电机 的有效利用率。同时本发明中谐振弹簧7的最大压缩量要大于s，从而实现内层动子2以正 常的回复力往复振荡。另外，为了实现电机内层动子2在行程s内自由往复运动，因此使内 层动子2左端面、右端面与左端盖、右端盖间的距离大于内层动子2的行程s。

内层动子2左端或右端设计为至少两瓣式连接体10，连接体10穿过与外层定子1左端 或右端固连的端面后，通过具有球铰的外部设备连接头11与外部柱塞等执行机构相连，通 过上述结构可防止内层动子2在外层定子1内的轴向旋转。本发明中端盖8采用十字法兰结 构，由此将内层动子2左端或右端的连接体10设计为与十字法兰相配合的四瓣式结构连接 体10，四瓣式结构连接体10可穿过十字法兰与外部柱塞等执行机构相连。