CN101564903B - 新型磁力冲床 - Google Patents

Abstract

一种新型磁力冲床，在底座上固定导磁圆筒，导磁圆筒内包着上非磁性筒、径向充磁的永磁环、下非磁性筒，动铁心置于它们之中，冲头及非磁性导杆均与动铁心联接，压力弹簧套在导杆外；直线驱动机构的定子与机架联接，动子与非磁性导杆联接；直线驱动机构驱动与非磁性导杆联接的动铁心及冲头上下运动。由于设置直线驱动机构、永磁环、设置弹簧，使工作电流大大减小，提高了冲制工件频率及工作效率，简化了控制系统，降低了能耗，可靠性高，延长使用寿命。本发明公开的技术特别适用于类似冲床的大冲程设备，如在冲头安接锤头，作为锻造机、破碎机；在冲头或导杆安接振动头或振动盘，作为振动设备，用途很广。

Description

新型磁力冲床

技术领域

本发明涉及一种冲床，尤其是一种永磁与直线驱动机构复合冲床。 

背景技术

传统的电动机拖动的机械冲床，体积庞大、笨重、效率低，不便于实现自动化，发展的趋势是电磁冲床逐渐淘汰传统的机械冲床。但是现有电磁冲床的线圈3的体积较大，工作电流也很大，造成发热严重、电能浪费较大、控制系统体积较大且复杂、使用成本高。为此，本人发明了一种磁力冲床，并获得了中国专利，专利号是200720148604.6，现摘要说明如下(详细说明见原申请文件)。 

如图1示，在底座24上固定导磁筒16，导磁筒16内包着上线圈20、径向充磁的永磁环15、下线圈21，上线圈20、径向充磁的永磁环15、下线圈21的外圆均与导磁筒16的内圆接触，永磁环15的上下端面分别与上线圈20的下端面及下线圈21的上端面相接触，上线圈20的上端面与导磁筒16上部内端面接触，下线圈21的下端面与导磁筒16下部内端面接触，软磁性动铁心22置于它们之中，动铁心22的轴向长度尺寸比导磁筒16的短一个冲程(L)尺寸，动铁心22的外圆与它们的内圆之间间隔较小的间隙，非磁性冲头23及非磁性导杆18均与动铁心22固接，以上所述各件均同轴；压力弹簧19套在导杆18外，压力弹簧19的自由长度为动铁心22冲程(L)的一半，即L/2，支架17固定在导磁筒16的端面或冲床的床身其它部位，冲头23及导杆18与导磁筒16端面的中孔配成滑动配合，导杆18上部与支架17的孔配成间隙配合。图1所示动铁心22处于上死点，压力弹簧19处于受压状态，I为永磁环15的磁通回路，并设永磁环15的内圆为N极面。 

其工作原理：如图2示，给下线圈21通电，产生的电磁通回路为II和III，与永磁通回路I的方向相反，电磁力削弱永磁力，当电磁力值大于永磁力与压力弹簧19的反力及动铁心22的重力(含导杆18和冲头23的重力)的差值时，动铁心22将加速下冲，当位移超过L/2冲程(或间隙)，动铁心22的上端面与导磁筒16上部内端面之间隙值将大于动铁心22的下端面与导磁筒16下部内端面之间隙值，那么，根据磁力线总是力图沿磁阻最小的路径 闭合的特性，永磁环15的绝大多数磁力线将从其内圆出发，穿过永磁环15的内圆与动铁心22外圆之间隙，接着穿过动铁心22下半部，接着穿过动铁心22的下端与导磁筒16下部内端之间隙，接着穿过导磁筒16回到永磁环15的外圆，即绝大多数永磁力线回路与图2中电磁回路II一样，那么，作用在动铁心22上的电磁力、重力、永磁力及弹簧反力叠加在一起，使动铁心22以比以前更大的变加速度下冲到下死点，在此过程中冲头23与凹模(图中未画)一起完成冲制工件，永磁通回路如图3中IV所示，永磁通使动铁心22保持在导磁筒16下部内端面。要让动铁心22回程(上行)，给上线圈20通电，如图4所示，电磁通的回路为V和VI，方向与永磁通回路IV的方向相反，动铁心22向上运动的原理和过程与前述向下运动的相似，不同的是，动铁心22由静止向上运动到L/2的过程，线圈20所产生的电磁力要克服永磁力、重力；动铁心22上行越过L/2后，变成向上的电磁力与绝大部分向上的永磁力一起克服很小的向下的永磁力、重力及压力弹簧19的抗力。动铁心22上行到上死点，被永磁环15的磁力保持在导磁筒16上部内端面，如图1或图2磁通回路为I所示，同时，压力弹簧19被压缩而储能，压力弹簧19还对动铁心22上行起到缓冲作用，至于压力弹簧19的自由长度取为动铁心22冲程(L)的一半，是为了尽量延迟对动铁心22上行的阻力。 

由此可见，动铁心22要始动，必须在间隙L1建立强磁场，建立电磁场，需要较大的电磁势即安匝值，安匝值为所述线圈所通电流强度与线圈匝数之积。空气的磁阻很大，所述间隙越大，在所述间隙建立电磁场需要的电磁势越大，需要的电功率就越高；增加所述线圈匝数，能减小所需电流强度，但不能降低需要的电功率，而且增加所述线圈匝数，必然使所述线圈体积增大，造成散热不良和整个机构体积成倍增大。电池或直流电源通过电力电子装置给所述线圈供电，需要的电功率越高，对电力电子装置的元器件技术指标和性能要求就越苛刻，这将使包括所述的电池或直流电源及电力电子装置在内的控制系统成本以几何级数增高。所以上述磁力冲床，适用做小冲程的，而不适用做大冲程的。 

发明内容

本发明克服现有电磁冲床和磁力冲床的缺陷，设计一种永磁与直线驱动机构复合冲床，冲程大、成本小、功率需求低、效率高。

本发明按下述技术方案实现。 

如图5示，在底座34上固定导磁筒26，导磁筒26内包着上非磁性筒30、径向充磁的永磁环25、下非磁性筒31，上非磁性筒30、径向充磁的永磁环25、下非磁性筒31的外圆均与导磁筒26的内圆接触，永磁环25的上下端面分别与上非磁性筒30的下端面及下非磁性筒31的上端面相接触，上非磁性筒30的上端面与导磁筒26上部内端面接触，下非磁性筒31的下端面与导磁筒26下部内端面接触，软磁性动铁心32置于它们之中，动铁心32的轴向长度尺寸比导磁筒26的短一个冲程(L1)尺寸，动铁心32的外圆与它们的内圆之间间隔较小的间隙，非磁性冲头33及非磁性导杆28均与动铁心32固接，以上所述各件均同轴；压力弹簧29套在导杆28外，压力弹簧29的自由长度为动铁心32冲程(L1)的一半，即L1/2，支架27固定在导磁筒26的端面或冲床的床身其它部位，冲头33及导杆28与导磁筒26端面的中孔配成滑动配合，导杆28上部与支架27的孔配成间隙配合。图5所示动铁心32处于上死点，压力弹簧29处于受压状态，VII为永磁环25的磁通回路，并设永磁环25的内圆为N极面。直线驱动机构35，其定子固定于支架27的上端面，其动子与导杆28的上端联接。 

直线驱动机构35为直线电机。所述直线电机，通过针对性优化设计，启动推力和驱动速度足以满足冲床要求，且对电源功率要求不高。 

或者直线驱动机构35为新型直线电机，如图7、图8示。永磁板38、永磁板39、永磁板40、永磁板44、永磁板45、永磁板46与导磁工字板43的缺口内壁固结，永磁板38、永磁板39、永磁板40、永磁板44、永磁板45、永磁板46均沿厚度方向充磁；永磁板38、永磁板39、永磁板40组成的左缺口内壁为同极性，永磁板44、永磁板45、永磁板46组成的右缺口内壁为同极性，但所述左缺口内壁的极性与所述右缺口内壁的极性相异，所述工字板及其上的永磁板组成所述新型直线电机的动子；在非磁性柱41上固结线圈42，在非磁性柱47上固结线圈48，线圈42插入所述左缺口内且离开一均匀间隙，线圈48插入所述右缺口内且离开一均匀间隙，将线圈42和线圈48并联联接，非磁性柱41与非磁性柱47平行固定在非磁性板36和非磁性板 37组成所述新型直线电机的定子；非磁性板37与所述的支架27的上端面联接，非磁性板37开有通孔，所述的导杆28的上端穿过此孔与导磁工字板43联接；根据电磁感应原理，处于磁场中的通电导体要受到力的作用。给线圈42和线圈48通电，线圈42和线圈48将受到向上或向下(从图7所示来讲)的磁作用力，但线圈42和线圈48被固定，由作用力和反作用力定律及运动的相对性知，工字板43将向下或向上运动，从而带动所述的导杆28连同动铁心32及冲头33运动，运动方向取决于线圈42和线圈48中的电流方向，运动的加速度和速度取决于线圈42和线圈48中的电流强度。控制接入电流的强度，总能使工字板43获得要求的力量和速度。 

或者所述直线驱动机构35为电动轨道机构，如图9示。导电轨道50和55平行地固定在非磁性板54和非磁性板56组成所述电动轨道机构的定子，在导电轨道50和55的上下端分别接供电导线49、供电导线52、供电导线53、供电导线57，导电体51的端头分别与导电轨道50和55的壁面接触且可上下滑动；非磁性板54开有通孔，所述的导杆28的上端穿过此孔与导电体51联接。若导线52、导线53接直流电，导电轨道50和55、导电体51均通过电流而产生磁场，这三者的磁场相互作用，合作用力使导电体51向上运动；同理，若导线49、导线57接直流电，导电体51将向下运动；导电体51带动所述的导杆28连同动铁心32及冲头33运动。控制接入电流的强度，总能使导电体51获得要求的力量和速度。 

如图6示，当所述直线驱动机构35对导杆28向下的推力值大于永磁力与压力弹簧29的反力及动铁心32的重力(含导杆18和冲头23的重力)的差值时，动铁心32将加速下冲，当位移超过L1/2冲程(或间隙)，动铁心32的上端面与导磁筒26上部内端面之间隙值将大于动铁心32的下端面与导磁筒26下部内端面之间隙值，那么，根据磁力线总是力图沿磁阻最小的路径闭合的特性，永磁环25的绝大多数磁力线将从其内圆出发，穿过永磁环25的内圆与动铁心32外圆之间隙，接着穿过动铁心32下半部，接着穿过动铁心32的下端与导磁筒26下部内端之间隙，接着穿过导磁筒26回到永磁环25的外圆，即绝大多数永磁力线回路与图6中回路VIII所示一样，那么，作用在动铁心32上的所述直线驱动机构35的作用力、重力、永磁力及弹簧反力 叠加在一起，使动铁心32以比以前更大的变加速度下冲到下死点，在此过程中冲头33与凹模(图中未画)一起完成冲制工件，永磁通回路如图6中VIII所示，永磁通使动铁心32保持在导磁筒26下部内端面。当所述直线驱动机构35向上拉导杆28时，动铁32向上运动的原理和过程与前述向下运动的相似，不同的是，动铁心32由静止向上运动到L1/2的过程，述直线驱动机构35要克服永磁力、重力；动铁心32上行越过L1/2后，变成向上的拉力与绝大部分向上的永磁力一起克服较小的向下的永磁力、重力及压力弹簧19的抗力。动铁心32上行到上死点，被永磁环25的磁力保持在导磁筒26上部内端面，如图5中磁通回路为VII所示，同时，压力弹簧29被压缩而储能为动铁心32再次下冲助力，压力弹簧29还对动铁心32上行起到缓冲作用，至于压力弹簧29的自由长度取为动铁心32冲程(L1)的一半，是为了尽量延迟对动铁心32上行的阻力。 

本发明公开的技术特别适用于类似冲床的大冲程设备，如在冲头33安接锤头，作为锻造机、破碎机；在冲头或导杆安接振动头或振动盘，作为振动设备 

本发明有益的效果： 

1、现有的电磁冲床、磁力冲床工作时，均须在冲程间隙建立电磁场，空气的磁阻很大，所述间隙越大，在所述间隙建立电磁场需要的电功率就越高。就是说，现有的电磁冲床、磁力冲床工作时，将很大部分电能用于克服间隙磁阻，可以说这部分电能被浪费了，间隙越大，电能被浪费越大。本发明的直线驱动机构35的动子与定子之间的间隙很小(小于0.15mm)，工作时，供给直线驱动机构35的电能，绝大部分用于驱动动子；不管冲床冲程大小，直线驱动机构35的动子与定子之间的间隙耗费的电能很小且几乎相同； 

2、由于优点1，与现有电磁冲床相比，本发明的冲头33(或动铁心32)上行和下冲均所需电流小得多，而且，动铁心32上行到L1/2以后，永磁力拉动动铁心32，可切断直线驱动机构35的电流，动铁心32下冲到L1/2后又得到永磁力助力，所以本发明耗电少；由于线圈的导线发热(焦耳热)量与电流的平方成正比，因此本发明电能的损耗也小得多； 

3、对大冲程电磁冲床、磁力冲床，大都设计成内置线圈，由于工作所需 电磁势大，要么线圈的体积很大造成整个冲床体积膨胀，要么供电电流很大对电力电子装置的元器件技术指标和性能要求苛刻，这两种方案都造成成本高昂；相比之，本发明的体积小、所需电流小、成本低很多； 

4、由于前述优点，本发明工作时，所需电能小，因而节能； 

5、线圈的体积大散热困难，电流大生热量剧增(生热量与电流强度的平方成正比)，这两种情况都严重危害线圈，使整个冲床可靠性降低；对冲程要求大的冲床，用本发明，所需电流小，所以可靠性高； 

6、由于本发明工作时所需电流小，大大减缓了直线驱动机构35的焦耳热的积累，因此，本发明能比现有电磁冲床或前述永磁冲床以更高的频率工作，效率很高； 

7、本发明，由于前述的优点，所以使用和维护费用更低。 

附图说明

图1为专利200720148604.6公开的永磁冲床的结构示意图； 

图2为专利200720148604.6公开的永磁冲床的下冲工作原理示意图； 

图3为专利200720148604.6公开的永磁冲床的冲头下冲到下死点的示意图； 

图4为专利200720148604.6公开的永磁冲床的上行工作原理示意图； 

图5为本发明的结构示意图，也是其动铁心在上死点时的示意图； 

图6为本发明动铁心在下死点时的示意图； 

图7为本发明的直线驱动机构35的一种结构示意图； 

图8为图7的A-A剖面图； 

图9为本发明的直线驱动机构35的另一种结构示意图。 

具体实施方式

如图5示，在底座34上固定导磁筒26，导磁筒26内包着上非磁性筒30、径向充磁的永磁环25、下非磁性筒31，上非磁性筒30、径向充磁的永磁环25、下非磁性筒31的外圆均与导磁筒26的内圆接触，永磁环25的上下端面分别与上非磁性筒30的下端面及下非磁性筒31的上端面相接触，上非磁性筒30的上端面与导磁筒26上部内端面接触，下非磁性筒31的下端面与导磁筒26下部内端面接触，软磁性动铁心32置于它们之中，动铁心32的轴向长度尺寸比导磁筒26的短一个冲程(L1)尺寸，动铁心32的外圆与它们的内圆之间间隔较小的间隙，非磁性冲头33及非磁性导杆28均与动铁心32固接，以上所述各件均同轴；压力弹簧29套在导杆28外，压力弹簧29的自由长度为动铁心32冲程(L1)的一半，即L1/2，支架27固定在导磁筒26的端面或冲床的床身其它部位，冲头33及导杆28与导磁筒26端面的中孔配成滑动配合，导杆28上部与支架27的孔配成间隙配合。直线驱动机构35，其定子固定于支架27的上端面，其动子与导杆28的上端联接。 

直线驱动机构35为直线电机。 

或者直线驱动机构35为新型直线电机，如图7、图8示。永磁板38、永磁板39、永磁板40、永磁板44、永磁板45、永磁板46与导磁工字板43的缺口内壁固结，永磁板38、永磁板39、永磁板40、永磁板44、永磁板45、永磁板46均沿厚度方向充磁；永磁板38、永磁板39、永磁板40组成的左缺口内壁为同极性，永磁板44、永磁板45、永磁板46组成的右缺口内壁为同极性，但所述左缺口内壁的极性与所述右缺口内壁的极性相异，所述工字板及其上的永磁板组成所述新型直线电机的动子；在非磁性柱41上固结线圈42，在非磁性柱47上固结线圈48，线圈42插入所述左缺口内且离开一均匀间隙，线圈48插入所述右缺口内且离开一均匀间隙，将线圈42和线圈48并联联接，非磁性柱41与非磁性柱47平行固定在非磁性板36和非磁性板37组成所述新型直线电机的定子；非磁性板37与所述的支架27的上端面联接，非磁性板37开有通孔，所述的导杆28的上端穿过此孔与导磁工字板43联接。 

或者所述直线驱动机构35为电动轨道机构，如图9示。导电轨道50和55平行地固定在非磁性板54和非磁性板56组成所述电动轨道机构的定子，在导电轨道50和55的上下端分别接供电导线49、供电导线52、供电导线53、供电导线57，导电体51的端头分别与导电轨道50和55的壁面接触且可上下滑动；非磁性板54开有通孔，所述的导杆28的上端穿过此孔与导电体51联接。 

Claims (1)

1.一种新型磁力冲床，其特征是：在底座(34)上固定导磁筒(26)，导磁筒(26)内包着上非磁性筒(30)、径向充磁的永磁环(25)、下非磁性筒(31)，上非磁性筒(30)、径向充磁的永磁环(25)、下非磁性筒(31)的外圆均与导磁筒(26)的内圆接触，永磁环(25)的上下端面分别与上非磁性筒(30)的下端面及下非磁性筒(31)的上端面相接触，上非磁性筒(30)的上端面与导磁筒(26)上部内端面接触，下非磁性筒(31)的下端面与导磁筒(26)下部内端面接触，软磁性动铁心(32)置于它们之中，动铁心(32)的轴向长度尺寸比导磁筒(26)的短一个冲程L1尺寸，动铁心(32)的外圆与它们的内圆之间间隔较小的间隙，非磁性冲头(33)及非磁性导杆(28)均与动铁心(32)固接，导磁筒(26)、上非磁性筒(30)、下非磁性筒(31)、永磁环(25)、动铁心(32)、导杆(28)、冲头(33)均同轴；压力弹簧(29)套在导杆(28)外，压力弹簧(29)的自由长度为动铁心(32)冲程L1的一半，即L1/2，支架(27)固定在导磁筒(26)的端面或冲床的床身其它部位，冲头(33)及导杆(28)与导磁筒(26)端面的中孔配成滑动配合，导杆(28)上部与支架(27)的孔配成间隙配合；直线驱动机构(35)，其定子固定于支架(27)的上端面，其动子与导杆(28)的上端联接；

直线驱动机构(35)为直线电机；

或者直线驱动机构(35)为新型直线电机；一号永磁板(38)、二号永磁板(39)、三号永磁板(40)、四号永磁板(44)、五号永磁板(45)、六号永磁板(46)与导磁工字板(43)的缺口内壁固结，一号永磁板(38)、二号永磁板(39)、三号永磁板(40)、四号永磁板(44)、五号永磁板(45)、六号永磁板(46)均沿厚度方向充磁；一号永磁板(38)、二号永磁板(39)、三号永磁板(40)组成的左缺口内壁为同极性，四号永磁板(44)、五号永磁板(45)、六号永磁板(46)组成的右缺口内壁为同极性，但所述左缺口内壁的极性与所述右缺口内壁的极性相异，所述工字板及其上的永磁板组成所述新型直线电机的动子；在一号非磁性柱(41)上固结一号线圈(42)，在二号非磁性柱(47)上固结二号线圈(48)，一号线圈(42)插入所述左缺口内且离开一均匀间隙，二号线圈(48)插入所述右缺口内且离开一均匀间隙，将一号线圈(42)和二号线圈(48)并联联接，一号非磁性柱(41)与二号非磁性柱(47)平行固定在一号非磁性板(36)和二号非磁性板(37)组成所述新型直线电机的定子；二号非磁性板(37)与所述的支架(27)的上端面联接，二号非磁性板(37)开有通孔，所述的导杆(28)的上端穿过此孔与导磁工字板(43)联接；

或者所述直线驱动机构(35)为电动轨道机构；一号导电轨道(50)和二号导电轨道(55)平行地固定在三号非磁性板(54)和四号非磁性板(56)组成所述电动轨道机构的定子，在一号导电轨道(50)和二号导电轨道(55)的上下端分别接一号供电导线(49)、二号供电导线(52)、三号供电导线(53)、四号供电导线(57)，导电体(51)的端头分别与一号导电轨道(50)和二号导电轨道(55)的壁面接触且可上下滑动；三号非磁性板(54)开有通孔，所述的导杆(28)的上端穿过此孔与导电体(51)联接。

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