CN101873046A

CN101873046A - 含稳态的永磁体电磁驱动装置

Info

Publication number: CN101873046A
Application number: CN201010198078A
Authority: CN
Inventors: 蹇兴亮
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2010-10-27

Abstract

本发明公开了一种含稳态的永磁体电磁驱动装置，该装置由动磁铁、输出件、基体及线圈组成。除此之外还包含锁定机构，使得动磁铁在线圈的电磁力作用下沿轴线运动到行程的终端位置时，线圈断电，动磁铁能被该机构以一定的保持力锁定在该端，达到节电目的。含稳态的永磁体电磁驱动装置是介于传统电磁铁与直线电机之间的一种全新直线电磁驱动装置，可应用于任何需要大行程、快速运动、低驱动力、直线驱动的设备中。

Description

含稳态的永磁体电磁驱动装置

技术领域

本发明涉及电学领域中的电磁驱动装置，特别涉及一种含稳态的永磁体电磁驱动装置。

背景技术

本发明人在2009年11月26日申请的申请号为200910234647.X和2010年5月18日申请的申请号为201010175164.X的发明公开了一种永磁体电磁驱动装置，这种电磁驱动装置能产生较大的行程，并在大行程范围内提供比较均衡的电磁力。

原发明的永磁体电磁驱动装置没有专门提及稳态问题。当输出件运动到一端时，如果使线圈继续通电使输出件保持在该端，需要持续的电能消耗。为节约电能并减少线圈持续发热，当输出件运动到一端时，线圈断电，输出件被锁定机构以一定的保持力锁定在该端。这就是本发明人在前两个发明的基础上研制出的含稳态的永磁体电磁驱动装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中当动磁铁运动到行程终端时必须继续对线圈通电才能使动磁铁保持在该位置的不足之处，提供一种含有锁定机构的、无需继续通电就能使动磁铁保持在行程一端的电磁驱动装置。本装置是对本人前两个关于永磁体电磁驱动装置发明的改进。

本发明是通过以下技术方案实现的：所述大行程永磁体电磁驱动装置也是由动磁铁、输出件、基体及线圈组成。除此之外还包含锁定机构，既可以只在一端安装锁定机构，成为单稳态永磁体电磁驱动装置；也可以在两端都安装锁定机构，成为双稳态永磁体电磁驱动装置；当在某端安装锁定机构后，动磁铁在线圈的电磁力作用下沿轴线运动到该端时，线圈断电，动磁铁能被该机构以一定的保持力锁定在该端。

动磁铁、输出件、基体、电磁力、磁场力以及其他一些概念与专利200910234647.X及专利201010175164.X规定相同。

一种简单的锁定机构是由静磁铁构成的，静磁铁被固定在所述基体的一端或两端；当动磁铁运动到一端时，被固定在该端的静磁铁吸引，其磁场力就是保持力。动磁铁被静磁铁吸保持时，动磁铁与静磁铁之间并不一定直接接触，可以相隔适当距离，距离越远，保持力就越小。可根据实际需要调整它们之间的距离，它们之间可通过软质垫片相隔。静磁铁越大，保持力也越大。

另一种更简单的锁定机构是由静铁构成的，静铁是铁磁性材料，例如普通碳钢。静铁被固定在所述基体的一端或两端。当动磁铁运动到一端时，被固定在该端的静铁吸引，其磁场力就是保持力。动磁铁被静铁吸保持时，动磁铁与静铁之间并不一定直接接触，可以相隔适当距离，距离越远，保持力就越小。可根据实际需要调整它们之间的距离，它们之间可通过软质垫片相隔。静铁越大，保持力也越大。静铁通常就是低碳钢垫片或其他铁质垫片，或者就是永磁体电磁驱动装置铁磁性材料外套的一部分。

锁定机构可由机械自锁机构组成，包含外锁套、内锁套、簧片、导柱，外锁套被固定在基体内部一端或就是基体的一部分，内锁套被套在输出件轴上并可灵活地绕轴线转动，内锁套外表面有槽形导轨、锁岛，导柱固定在簧片一端，簧片另一端固定在外锁套的外面，导柱穿过外锁套侧面的小孔伸入内部；当输出件带动内锁套运动到基体的一端时，受内锁套外表面的导向机构导引，使导柱只能沿固定方向进入内锁套外表面的槽形导轨，槽形导轨底面形状使得导柱只能按固定方向沿导轨相对运动，直至运动到锁岛的卡槽中被锁定在此位置。内锁套外表面的槽形导轨及锁岛结构形状类似于带自锁的按钮开关中的锁定机构，尤其是家用彩电的电源开关中的自锁结构。这种开关，按下按钮时被锁定，再次按下时被解锁弹起。

在这种机械锁定机构中，每一个内锁套的外表面上可以有多条形状相同的槽形导轨和多个锁岛，它们均匀分布在内锁套外圆周上，对应的外锁套上也分布着同样数量的导柱。通常沿外锁套圆周均匀分布3个或4个导柱，它们卡在内锁套的对应锁岛凹槽中。这样，保持力沿输出件圆周均匀分布。

当永磁体电磁驱动装置体积较大时，锁定机构还可由另一个小电磁锁构成。电磁锁可以是传统意义上的电磁锁或电磁铁，也可是由永磁体电磁驱动装置构成的电磁锁。

锁定机构并不一定要安装在端部，可以在其他位置安装锁定机构，使其含有稳态即可。锁定机构可以是由几根相同的弹簧构成，每根弹簧的一端固定在输出件上，另一端固定在基体上；弹簧的轴线在垂直于线圈轴线的平面内的投影，呈均匀分布；输出件运动到某个位置时，这几根弹簧的轴线都垂直于线圈的轴线，这时弹簧的压缩量最大，弹簧对输出件的合力为零；输出件偏离这个位置，弹簧的弹力方向将有助于输出件向更加偏离这个位置的方向运动，形成稳态；弹簧弹力的合力就是保持力。如果在行程的中间位置时，弹簧的压缩量最大，则可构成双稳态永磁体电磁驱动装置。如果在行程的一端位置时，弹簧的压缩量最大，则可构成单稳态电磁驱动装置。

由几根弹簧构成的含稳态的电磁驱动装置，弹簧数量最好为2根或3根；当为2根弹簧时，杆状输出件的截面形状为长方形或正方形，基体端部盖板小孔的形状与此相同，保证输出件穿过此小孔只能沿长度方向运动，不能转动；当为3根弹簧时，杆状输出件的截面形状为正三角形，基体端部盖板小孔的形状与此相同，保证输出件穿过此小孔也只能沿长度方向运动，不能转动。弹簧数量过多，结构太复杂。

上述增加锁定机构主要是针对专利200910234647.X或专利201010175164.X中所述的装置或它们的任意组合所构成的装置来说的。当然，上述锁定机构也可应用于其他电磁驱动装置中。

本发明与现有技术相比有如下的积极效果：可以靠锁定机构将输出件锁定在行程的终点位置，不需要线圈通电维持，因此可节约电能减少线圈发热。

附图说明

图1A是由5个线圈和1个动磁铁构成的大行程双稳态永磁体电磁驱动装置的结构图，沿轴线剖开的截面图或称为断面图(不是剖视图)；图1B是图1A右端的放大图；图1C是图1A对应的三维示意图。

图2A是由2个线圈和1个动磁铁构成的大行程双稳态永磁体电磁驱动装置结构图，沿轴线剖开的截面图；图2B是对应装置在线圈22中心处，沿垂直于轴线剖开的截面示意图。

图3A是一种机械锁定机构用的内锁套420的三维示意图；图3B是与内锁套配套的簧片426和导柱425的三维示意图；图3C是导柱425沿内锁套外表面的槽形导轨422运动示意图，图中箭头方向表示导柱运动方向；图3D是含这种锁定机构的双稳态大行程永磁体电磁驱动装置结构图，沿轴线剖开的截面图。

图4A和图4B是一种由2根弹簧构成锁定机构的双稳态永磁体电磁驱动装置三维模型示意图，处于两种不同的稳定状态；图4C是这种装置沿轴线剖开的截面图。

上述各图中：基体内供动磁铁运动的圆柱形空腔0；动磁铁1；线圈2，多线圈结构中的1号线圈21、2号线圈22、3号线圈23、4号线圈24、5号线圈25；基体3，基体延长板35；弹簧4；输出件5；固定动磁铁的螺母66，硬质垫片63，软质垫片62；中间开孔的盖板7、73和74，空腔右端的非铁磁性软质垫片43和44，右端静磁铁42，左端静磁铁41；放置静磁铁的外套77和78；盖板的固定螺钉8和82；左端的位置传感器91，右端的位置传感器99，中间的位置传感器92；由硅钢片叠合构成的外套100；左端静铁101，右端静铁109；内锁套420，内锁套外表面的槽形导轨422，锁岛421，导柱425，簧片426。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。

实施例一：一种由静磁铁构成锁定机构的大行程双稳态永磁体电磁驱动装置

图1A到图1C是本实施例。其中，锁定机构主要是由静磁铁41和42构成的。动磁铁1为轴线上开孔的圆柱体钕铁硼磁铁，输出件5的螺杆部分穿过动磁铁的孔，动磁铁的孔直径略大于螺杆直径。在动磁铁两端面的是软质垫片62，硬质垫片64，拧紧螺母66将动磁铁固定在输出件上，软质垫片可防止动磁铁破损，起保护作用。输出件5为非导磁材料的带螺纹的杆。静磁铁42为圆环形永磁体，放置在静磁铁外套78内。软质垫片43、44、静磁铁外套78以及盖板73由螺钉82固定在基体3的端部。当动磁铁1在线圈电磁力作用下向右运动到空腔的右端时，静磁铁42对它产生磁场力作用，动磁铁1被吸引并保持在右端，成为一种稳定状态。静磁铁对动磁铁的磁场力就是保持力。改变垫片43或静磁铁外套78的厚度，或改变静磁铁的大小均可调整保持力大小。当动磁铁保持在右端时，右端位置传感器99会处于闭合状态，位置传感器91和99是由干簧管构成。

作为举例说明，本例装置包含5个线圈和1个动磁铁。假定动磁铁1初始位置在左端，要使其运动到右端并保持，控制方法是：线圈21通电，对动磁铁1产生电磁力，电磁力的方向向右，当电磁力大于静磁铁41对它的磁场力时，便向右运动；当动磁铁1的几何中心接近或到达线圈21的几何中心时，线圈21断电；此时或稍后线圈22通电，动磁铁继续向右运动；当动磁铁1的几何中心接近或到达线圈22的几何中心时，线圈22断电；此时或稍后线圈23通电，动磁铁继续向右运动；当动磁铁1的几何中心接近或到达线圈23的几何中心时，线圈23断电；此时或稍后线圈24通电，动磁铁继续向右运动；当动磁铁1的几何中心接近或到达线圈24的几何中心时，线圈24断电；依靠惯性，动磁铁1将继续向右运动到右端并被静磁铁42吸保持。如果负载较轻，也可以在上述运动过程中当动磁铁1的几何中心接近或到达线圈23的几何中心时，线圈23断电，线圈24和25均不必通电，动磁铁仅靠惯性就可运动到右端并被静磁铁42吸保持。

实施例二：一种由静铁构成锁定机构的大行程双稳态永磁体电磁驱动装置

本实施例仅把实施例一中的静磁铁41和42改换为静铁即可，其他部分与实施例一相同，当然原来的静磁铁外套77和78也可去掉不用。改换后，静铁41和42可以是普通圆环形铁质垫片，也可以是沿轴线开孔的碳钢圆柱体，或者直接用碳钢螺母代替。当动磁铁1在线圈电磁力作用下向右运动到空腔的右端时，静铁42被磁化具有磁性，对动磁铁1产生磁场力作用，动磁铁1被吸引并保持在右端，成为一种稳定状态。静铁42对动磁铁1的磁场力就是保持力。改变非铁磁性垫片43的厚度，或改变静铁的大小均可调整保持力大小。当动磁铁保持在右端时，右端位置传感器99会处于闭合状态。

控制方法同实施例一。

实施例三：另一种由静铁构成锁定机构的大行程双稳态永磁体电磁驱动装置

图2A和图2B是本实施例，起锁定机构作用的静铁101和109就是永磁体电磁驱动装置铁磁性材料外套的一部分。该具体实施例的驱动装置包含1个动磁铁1，2个线圈21和22，3个位置传感器91、92和99，由长条状硅钢片叠合而成圆管作为装置的外套100可减少外界磁场对动磁铁1的干扰，同时可改善电磁力特性。塑料盖板7固定在基体3的两端。中间开孔的圆形静铁101和109在盖板的外面，通过螺钉82或其他方式固定在盖板7上，成为驱动装置外套的一部分。当动磁铁1在线圈电磁力作用下向右运动到空腔0的右端时，静铁109对它产生磁场力作用，动磁铁1被吸引并保持在右端，成为一种稳定状态。静铁109对动磁铁1的磁场力就是保持力。改变盖板7的厚度，可调整保持力大小。当动磁铁保持在右端时，右端位置传感器99会处于闭合状态，这里用微动开关作为位置传感器。

假定动磁铁1初始位置在左端，要使它运动到右端并保持，控制方法是：线圈21通电，对动磁铁1产生电磁力，电磁力的方向向右，当电磁力大于静铁101对它的磁场力时，便向右运动；当动磁铁1的几何中心接近或到达线圈21的几何中心时，线圈21断电；此时或稍后线圈22通电，动磁铁1继续向右运动；当动磁铁1的几何中心接近或到达线圈22的几何中心时，线圈22断电；动磁铁1依靠惯性继续向右运动到右端，被静铁109吸保持。通过位置传感器可检测当前动磁铁1的位置。

显然，本实施例也可以去掉外套100，不会影响大行程双稳态功能。

实施例四：一种由机械自锁机构构成的大行程永磁体电磁驱动装置

参见图3A到图3D，该装置中1个动磁铁1；4个线圈，其中线圈21和24作为解锁线圈，线圈22和23作为驱动线圈；内锁套420套在输出件5的带螺纹的杆上，内锁套可以绕轴线自由转动，内锁套420的表面有导向作用的导轨槽422和锁岛421，本例中沿内锁套外表面圆周均匀分布着4个导轨槽422和锁岛421，导轨槽的形状使得导柱425只能从固定方向进入导轨槽并沿固定方向运动，导柱425也只能沿固定方向从导轨槽中出来，导柱沿图3C箭头所指方向运动；基体3同时作为外锁套，簧片426一端的导柱425穿过外锁套的小孔伸入基体内部的空腔，簧片426的另一端用螺钉8固定在基体3和盖板7上。

结合图3D，假定动磁铁1初始位置在左端，要使它运动到右端并保持，控制方法是：首先线圈21通电，由于动磁铁1的几何中心在线圈21几何中心的右边，动磁铁1受到的电磁力方向向左，动磁铁1向左运动，通过输出件5带动内锁套420向左运动。左端的导柱425相对于左边的内锁套420则向右运动，导柱425将从左边内锁套的锁岛的凹槽中退出，即解锁；解锁后，线圈21断电，此时或稍后线圈22通电，对动磁铁1产生向右的电磁力，动磁铁1及内锁套420向右运动，左端的导柱425相对于左边的内锁套420则向左运动，即导柱425从内锁套420外表面的导轨槽中运动出来；当动磁铁1的几何中心接近或到达线圈22的几何中心时，线圈22断电；此时或稍后线圈23通电，动磁铁1继续向右运动；当动磁铁1的几何中心接近或到达线圈23的几何中心时，线圈23断电；依靠惯性，动磁铁1及内锁套420继续向右运动；装置右端的导柱425相对于动磁铁1右边的内锁套420是向左运动的，导柱425沿导轨槽422运动，导柱425运动到锁岛421的凹槽中被卡住不动，这时就被锁住，成为一个稳态，锁岛421对导柱的作用力就是保持力。要想解锁，必须线圈24通电，使动磁铁1再次向右运动，导柱425则沿固定方向从锁岛的凹槽中退出，实现解锁。

实施例五：一种由2个弹簧构成锁定机构的大行程永磁体电磁驱动装置

图4A到图4C是本实施例。两个可压缩弹簧4的一端固定在输出件5上，另一端固定在基体延长板35上，基体延长板35可认为是基体3的一部分；输出件5的右端用于安装动磁铁1的一端为带螺纹的杆，输出件5的其余部分的截面为长方形；盖板7中间的小孔形状也为长方形，输出件5穿过此长方形小孔不能转动。基体3上只绕了1个线圈2，基体内部空腔两端各安装1个位置传感器91和99，皆为微动开关。基体延长板35的一端固定在基体3上。弹簧的自由长度与弹簧直径的比值小于5，或者采用鼓形弹簧，即中间粗两端细。

结合图4C，假定动磁铁1初始位置在左端，要使它运动到右端并保持，控制方法是：线圈2通电，动磁铁1受到的电磁力方向向右，动磁铁1带动输出件5向右运动；两个弹簧的压缩量增加，弹簧4对输出件5的合力方向向左，合力小于电磁力；当动磁铁1的几何中心接近或到达线圈2的几何中心时，线圈2断电；当动磁铁1的几何中心经过线圈2的几何中心后，动磁铁受到的弹簧4的合力方向向右；动磁铁1在惯性和弹簧弹力作用下运动到右端并保持，弹簧弹力的合力就是保持力。上述运动过程中，当动磁铁1的几何中心与线圈2的几何中心重合时，弹簧的压缩量最大，但对输出件的合力等于零。

也可采用3个弹簧构成锁定机构，这时3个弹簧沿圆周均匀分布固定在输出件5的杆的表面。盖板7的小孔形状和输出件5穿出该小孔部分的截面形状相同，可为等边三角形，也可为其他形状，但不为圆形，保证输出件的杆不能转动。当弹簧的压缩量最大时，3根弹簧的轴线互成120度夹角。3根弹簧的另一端分别固定在基体3上或3个基体延长板上。

尽管上述实施例中的动磁铁个数均为1个，这只是为了重点说明含稳态的永磁体电磁驱动装置的锁定机构，对其他部分没有必要重复强调。本发明适用于任何多个动磁铁的永磁体电磁驱动装置。即适用于本人的前两个发明专利200910234647.X及专利201010175164.X所覆盖的所有驱动装置。上述实施例都是双稳态的，显然可以很容易地改为单稳态，即只在行程的一端处于稳定状态，另一端则不能提供保持力。

上述实施例仅是几种典型的含双稳态的大行程永磁体电磁驱动装置，凡是由上述实施例进行等效变换或修改所得到的技术方案，即能提供稳定状态，提供保持力的锁定机构都可认为是上述机构的等效变换，均落在本发明的保护范围内。例如当永磁体电磁驱动装置比较大时，锁定机构可采用另外一个电磁锁或电磁铁或一个小的永磁体电磁驱动装置构成。又例如，锁定机构可采用简单的弹性碰珠结构，等等。

Claims

1.含稳态的永磁体电磁驱动装置，是由动磁铁、输出件、基体及线圈组成，其特征在于：它还包含锁定机构；既可以只在一端安装锁定机构，成为单稳态永磁体电磁驱动装置；也可以在两端都安装锁定机构，成为双稳态永磁体电磁驱动装置；还可以在其他位置安装锁定机构，使其含有稳态；当在某端安装锁定机构后，动磁铁在线圈的电磁力作用下沿轴线运动到该端时，线圈断电，动磁铁能被该机构以一定的保持力锁定在该端。

2.根据权利要求1所述的含稳态的永磁体电磁驱动装置，其特征在于：所述锁定机构是由静磁铁构成的，静磁铁被固定在所述基体的一端或两端；当动磁铁运动到一端时，被固定在该端的静磁铁吸引，其磁场力就是保持力。

3.根据权利要求1所述的含稳态的永磁体电磁驱动装置，其特征在于：所述锁定机构是由静铁构成的，静铁是铁磁性材料，静铁被固定在所述基体的一端或两端；当动磁铁运动到一端时，被固定在该端的静铁吸引，其磁场力就是保持力。

4.根据权利要求1所述的含稳态的永磁体电磁驱动装置，其特征在于：所述锁定机构是由机械自锁机构组成，包含外锁套、内锁套、簧片、导柱，外锁套被固定在基体内部一端或就是基体的一部分，内锁套被套在输出件轴上并可灵活地绕轴线转动，内锁套外表面有槽形导轨、锁岛，导柱固定在簧片一端，簧片另一端固定在外锁套的外面，导柱穿过外锁套侧面的小孔伸入内部；当输出件带动内锁套运动到基体的一端时，受内锁套外表面的导向机构导引，使导柱只能沿固定方向进入内锁套外表面的槽形导轨，槽形导轨底面形状使得导柱只能按固定方向沿导轨相对运动，直至运动到锁岛的卡槽中被锁定在此位置。

5.根据权利要求4所述的含稳态的永磁体电磁驱动装置，其特征在于：所述的每一个内锁套的外表面上有多条形状相同的槽形导轨和多个锁岛，它们均匀分布在内锁套外圆周上，对应的外锁套上也分布着同样数量的导柱。

6.根据权利要求1所述的含稳态的永磁体电磁驱动装置，其特征在于：所述锁定机构是由另一个小电磁锁构成。

7.根据权利要求1所述的含稳态的永磁体电磁驱动装置，其特征在于：所述在其他位置安装的锁定机构是由几根相同的弹簧构成的，每根弹簧的一端固定在输出件上，另一端固定在基体上；弹簧的轴线在垂直于线圈轴线的平面内的投影，呈均匀分布；输出件运动到某个位置时，这几根弹簧的轴线都垂直于线圈的轴线，这时弹簧的压缩量最大，弹簧对输出件的合力为零；输出件偏离这个位置，弹簧的弹力方向将有助于输出件向更加偏离这个位置的方向运动，形成稳态；弹簧弹力的合力就是保持力。

8.根据权利要求7所述的含稳态的永磁体电磁驱动装置，其特征在于：所述的弹簧数量为2根或3根；当为2根弹簧时，杆状输出件的截面形状为长方形或正方形，基体端部盖板小孔的形状与此相同，保证输出件穿过此小孔只能沿长度方向运动，不能转动；当为3根弹簧时，杆状输出件的截面形状为正三角形，基体端部盖板小孔的形状与此相同，保证输出件穿过此小孔也只能沿长度方向运动，不能转动。