CN1031782A - 非接触型线性传动机构 - Google Patents

Abstract

一种非接触型线性传动机构，其固定的导向零件 是异形的，它的磁性材料的引道位于螺旋附近，与螺 旋保持一定距离，并形成通向下一螺旋的磁回路。其 旋转零件带有隔开的双头螺旋。由双螺旋和磁回路 组成的磁路产生一个恒定的磁场。异形零件可以做 成异形导轨或管件的形式，并带有窗户状的凹槽、波 纹或肋。双头螺旋中的结构可以是在螺旋中径向排 列永久磁铁，也可以是在软磁性螺旋之间轴向装入永 久磁铁。

Description

本发明涉及一种非接触或无接触的线性传动机构，这种机构包含至少一个固定的、线性取向的导向零件和至少一个可沿导向零件移动的输送零件，它是一种由在旋转轴上螺旋状地排列的磁性件构成的零件。这种机构可用于驱动磁悬浮车和升降机之类的机械。

西德专利DE-OS31    20    328首先公布了这种线性传动机构。现在已经出现了数种非接触型线性传动装置。

例如，有一种称为线性马达的装置，整个导轨或轨道构成其静子，而其转子则装在运载器上。另一种装置是沿其导轨或轨道设有永久磁铁，而运载器上则带有电磁铁，其极性不断地改变，因而拖动运载器沿着永久磁铁运动。

所有这些传动机构都有缺点，即它们都要消耗大量的电流，特别是它们的静子与转子间有着较大的空隙，而功率的消耗随这一空隙大小的平方而增加。此外，还有较大的能量由于发热而损失掉。

西德专利DE-OS    31    20    328公开了一种线性马达，其主要零件是一个旋转的圆柱形转子，在其圆柱形表面上按照螺旋形装置磁铁，其北极和南极的结构形式是连续的带或条，从而在圆柱体表面附近形成一种轴向移动的磁场。由于磁极带靠近且连续，故它的磁场大部分在两极间闭合，只有较小的部分穿过次要零件后闭合，并在次要零件中产生较高的涡流，因此，这种马达不是十分经济的。

此外，西德专利34    28    684公开了一种磁性传动装置，其主要零件是一个磁性轮盘，与一个带有齿状凹槽的次要零件相配合。这种磁性机构的效率也相当纸，因为其磁路仅仅由轮盘周边上的两个连续磁极在次要零件上方闭合。

本发明的目的是提供一种结构简单，工作效率高，操作方便的非接触型线性传动机构。这种传机构的特征是它具有一个旋转转零件，在其上装有隔开一定距离的两螺旋，还有一个由磁性材料制成的异形零件，在其上面设有材料的引道，它们都位于螺旋附近并与螺旋保持一定的距离，形成通向下一螺旋的磁回路，由双头螺旋与磁性回路组成的磁路产生一个恒定的磁场。用具有上述特征的非接触型线性机构来达到上述目的。这种传动机构的两个主要的工作零件，异形零件和双头螺旋的结构比较简单，因而其价格便宜。

按照本发明设计思想的进一步发展，双头螺旋可以是固定的导向零件，而导轨则是移动的输送零件;或者，反过来也可以。如果本发明用于运载器（例如：磁悬浮车），则可将异形导轨作为固定的导向零件，而用双头螺旋作为移动的输送零件。该导轨同时又是悬浮轨道的一部分，而双螺旋则固定在运载器上。

按照本发明，异形零件有不同类型的结构。重要的是异形零件在与螺旋相同的轴向距离的情况下，在螺旋附近总是依次地保持有规律的实体或空位的交替（周期性地变动的规律是：实体-空位-螺旋-实体-空位-螺旋，等等）。

因此，异形零件可以是一条与蜗杆基本上相切的延伸的异形导轨。但是，该导轨也可像蜗杆那样是弯曲形的，并且与蜗杆同轴，这样，大体上同轴地包住或嵌入至少部分的螺旋，从而增加了有效面积，获得较高的效率。

最后，异形零件可像同心管那样包围螺旋，而只留下一个穿通的留有轴向间隙的开口，来容纳螺旋的安装和固定零件。

异形零件无论是做成导轨形式，或者是做成管子的形式，都能以不同的方法在异形零件上设置材料的引道，譬如：异形零件上可以带有一些像窗户那样的凹槽，它位于螺旋的上方，从而使磁通穿过中间筋条。

异形零件的外形也可以是波形或波纹状的，并在输送方向上具有连续的波峰和波谷。这种零件形式的优点是：既然靠近螺旋的波峰顶部基本上平行于螺旋的周边表面，并且基本上沿着与螺旋相同的轴向移动，因此可获得最佳的磁通。

最后，异形零件可以带有与双螺旋基本上成直角的肋，肋的底部对着一个螺旋而且仅留下有限的空隙。

肋可以固定到或焊到光滑的支撑构件上。异形零件也可由多个独立的L形元件组成，在所有情况下轴向相对的L形角边可以用例如焊接或其它方法固定成一整体，并使其角边基本上是蜗杆的径向。最后，异形零件可由多个独立的U形元件构成，其角边则沿轴向顺序叠加。异性零件也可由中心边径向向里的多个T形元件排列构成。这类带肋异形零件的焊接构件或制品用在管式结构的异形零件上特别有利而且经济。

显然，波形的异形零件也可由多个独立的元件或零件焊接而成。或者，在所有情况下，异形管件都可以是由L形或U形条材焊成环形管的结构形式。

按照本发明概念的另一个发展，作用于两个零件间的磁场由永久磁铁组件产生。永久磁铁可以排列在双头螺旋上，也可排列在导轨上。

当永久磁铁排列在双头螺旋上时，第一个实施例结构是两个螺旋围绕一个软磁性蕊轴，而它们的极性相反。为了达到这一目的，螺旋中径向排列的磁铁的安装总是保持一个螺旋的南极和另一个螺旋的北极朝外，因此，它们可分别称为北极螺旋和南极螺旋。当异形零件的结构是带凹槽的软磁性异形导轨时，产生磁通如下：先从北极流出，越过蜗杆与钢轨之间的空隙，而后进入异形导轨中的筋内，并在进入下一个凹槽之前再次流出，然后越过下一个空隙并进入下一个螺旋的南极。螺旋内侧的两个磁极则通过软磁性蕊轴接通，从而形成封闭的完整磁路。螺旋与钢轨之间有预定的间隙，按照本发明，它们可用电动马达驱动，而且按照一个最佳的实施例，螺旋安装在运载器上。螺旋的旋转产生一个驱动运载器的恒定磁场。在这个实施例中，由于异形导轨固定在轨道上，或者当用于悬浮车时固定到支撑型材上，故在任何情况下，形成蜗杆的螺旋旋转，从而沿着导轨驱动装有蜗杆的运载器。

按照第二种蜗杆结构，螺旋可用软磁材料来制造，而蕊轴则是非磁性材料的。永久磁铁置于螺旋间的空隙中，其方向基本上是轴向的。例如，一个空隙中放入的磁铁，其北极指向输送方向，而另一个空隙中的磁铁则是南极指向输送方向。所以，在所有情况下，一个螺旋总是位于相同两极的中间，也就是说，在所有情况下，南极螺旋位于两个南极之间。于是，在这种螺旋中，磁力线高度集中，放其效率大大提高。

按照本发明概念的进一步发展，整个双头螺旋都可用软磁性材料来制造，而装在异形导轨中的永久磁铁的间距则与双头螺旋的间距相同。旋转着的双头螺旋（永久磁铁的磁通穿过它而闭合）在输送方向连续排列，从而沿着带有磁铁的异形导轨拖动双头螺旋蜗杆。

本发明传动机构有各种不同的结构方式，它们可由不同数量的双头螺旋和异形导轨组合起来。

这样，单一的双头螺旋可与单一的异形导轨相配合。但是，这不是最佳的状态，因为其力的传动条件是偏的，也就是说，力不平衡，因此必须采取附加的措施，以使异形导轨与螺旋间的间隙经常保持最佳状态。

也可以采用两个同步而相对旋转的双头螺旋，并仅用一个导轨置于它们之间。这就构成一个十分有用的多用途的实施例。

另一个结构也能进行良好而精确的工作。这种结构有两条平行的异形导轨，一个双头螺旋位于两条平行的导轨之间，导轨与双头螺旋倾斜相对。

如果双头螺旋连续在一个方向旋转，该线性传动机构就在一个方向上连续进行输送运动。但是，当螺旋或蜗杆以顺时针方向和逆时针方向旋转时，就会产生特别适用于机床结构的往复运动。

由螺旋和蕊轴组成的蜗杆可通过电动马达以熟知的方式进行驱动。但是，也可通过已知的传动零件将例如运载器或机床中转动部件的旋转运动传给蜗杆。

在由两个蜗杆和一个异形导轨的组合中，蜗杆的相对排列总是使它们在同步旋转运动时，极性相同的螺旋彼此以镜面对称的方式相对，因此，由于同极相斥而产生较大的力量。

本发明的最后一个特点是，在双头螺旋输送零件上有一个由非磁性钢制的保险螺旋，这是一个消极螺旋，只有不到一圈，最多为两圈。在径向保险螺旋凸出并深入到异形零件中，与异形零件的径向肋面相配合起摩擦制动的作用。因此，当转子过载时，后者就不能滑过，因为保险螺旋被贴到异形零件的肋上而制住滑动。异形零件的肋与保险螺旋之间的距离必须保证当加载约为90%时，在磁场中断或解除前一刹间转子能够通过保险螺旋与异形零件的肋相接触。

对于带有双头螺旋且径向排列磁铁的结构，在蕊轴上的磁性螺旋之间设置保险螺旋是有利的，而且可以节约空间。但是，在轴向排列磁铁的情况下，就不可能了。这时最好将保险螺旋安置在蕊轴上极性螺旋部分之外的部位。如果该部位的蕊轴直径与螺旋部分的外径相等时，便可获得较高的强度，这样，保险螺旋的高度基本上只等于异形零件肋的高度。

本发明的传动机构与一般的线性马达相比有大的优点，其蜗杆可由在理想状态下工作的普通电动马达来驱动，这时，静子与转子的空隙最小，其功率消耗保持恒定且与空隙大小无关。

本发明的线性马达实际上可在任意方向作传送运动，因此其使用性能最佳，而且十分经济。因此可以用它以最佳的方式进行水平输送，例如：用在悬浮车、闸门、机床或其他机器上，这些机器的内部或外部要求有相对的运动。

本发明的马达用于垂直运输也是十分有利的，因为同以普通方式工作的带有运送缆索的载人或载货的电梯或升降机相比，它不需要附加的地面和地下的传动机构。因此，例如要进行地下工作时，它不需要沉重的缆索或钢索就能够通过很深的地道。而现在，这种工作必须分段进行几次往复运输，每一段上都要有一种新的完整的运输系统，成本很高。

下面将结合非限定实施例及附图详细说明本发明，其中：

图1为本发明的线性传动机构的第一种实施例的示意图，它有两个双头螺旋和一个作为异形零件的异形导轨。

图2为根据图1提出的第二种传动机构的示意图，它有一个双头螺旋和两个异形导轨。

图3为沿图1中Ⅲ-Ⅲ截面的剖面图。

图4为沿图2中Ⅳ-Ⅳ截面的剖面图。

图5为图2中箭头V所示方向的异形导轨的视图。

图6为线性传动机构的第三种结构，它有一个双头螺旋和一个作为异形零件的波纹管。

图7为图6中Ⅶ-Ⅶ截面的剖视图，显示出磁铁在螺旋中的排列。

图8为另一种采用软磁性螺旋，并且轴向放入磁铁的实施例中的双头螺旋。

图9为另一种线性传动机构的部分剖面图，它带有与图8一样的双头螺旋和由L形元件组成的结构。

图10为另一种线性传动机构的部分剖面图，这种传动机构带有一个径向排列磁铁的双头螺旋和一个由U形元件组成的带肋异形管以及一个保险螺旋。

图11为与图10一样的剖面图，但其双头螺旋中的磁铁是轴向排列的。

按照图1，第一个实施例的一种非接触型线性传动机构包括一个以软磁性异形导轨9的形式构成的异形零件2，其平的侧面（筋）等距离排列，相互间有一空隙，并且双螺旋1的高度是一样的，也就是说，在各种情况下，双头螺旋的样子基本上是相同的。构成蜗杆的双头螺旋1主要包括一个软磁蕊轴5和两个围绕蕊轴5等距离排列的、用永久磁性材料制成或由永久磁铁块组成的螺旋3、4。它们的极性是从第一个螺旋到下一个螺旋方向正好相反，从而形成了北极螺旋3和南极螺旋4。这样，沿着异形钢轨9（也就是纵向），北极和南极总是交替出现。

在第一个实施例中，螺旋3和4可以完全用软磁性材料制造，但也可以在非磁性材料中嵌入径向排列的小磁铁棒来形成带软磁蕊轴的双头螺旋。嵌入磁铁棒的方法可采用各种熟知的工艺，例如铸造、烧结等。

组成蜗杆的两个双头螺旋1的排列方式是彼此相对的，并以异形导轨为中线彼此精确地呈镜面对称。这样，在所有情况下，一个蜗杆的北极螺旋都准确地与同一高度的另一个蜗杆的北极螺旋相对。

钢轨上有窗户式的凹槽6，它们以与螺旋相同的间距呈纵向排列。于是，由磁力线7形成的磁通如下：先从北极流出，越过北极螺旋3与异形导轨9之间的空隙，而后进入导轨的筋8，通过筋8后，再越过异形导轨9和螺旋4之间与后者同一高度的空隙，然后进入上述的南极螺旋4。两个螺旋的内侧磁极则在软磁性蕊轴5中闭合。

在图2所示的实施例中，非接触型线性传动机构包括一个双头螺旋1，在其相对的两侧基本上对称地安装两根异形导轨9，异形导轴也有大致上等距离排列的凹槽6，因此，在所有情况下，北极螺旋3面对着第一根异形导轨2的一个凹槽，同时，南极螺旋4则面对着第二根导轨2的一个凹槽。

图3表示出两个双头螺旋相对于中心导轨（图1）的对称排列。可以看出，在所有情况下，异形导轴9的宽度方向的伸出部分基本上与两个双头螺旋的外周边相切。凹槽6则准确地处于两个同极螺旋（图中为两个北极螺旋3）之间，由于螺旋的旋转运动，使最接近导轨的螺旋周边沿导轨的纵向移动，例如在图1中为向上运动。因此，伴随产生磁场也在导轨中移动，这就使得导轨也有移动的倾向。在双头螺旋为固定而导轨是活动的结构中，导轨进行这种平移运动。在钢轨为固定结构而双螺旋固定在运载器上的情况下，则螺旋沿着导轨移动，此时，保持了最佳的磁场7，穿过异形导轨的筋8。同理，在图2所示的实施例中，也可能产生零件的运动。磁场7也以与图1相同的方式闭合，但磁场是在双头螺旋的两侧闭合的，并且基本上与双头螺旋倾斜相对，导致如图1实施例中同类型的运动。其运动方式可以是钢轨运动，或是螺旋相应于螺旋的旋转方向，沿着异形导轨运动。

图4示出了图2中两条异形导轨9相对于双头螺旋的对称排列。

图5是异形导轨9的一个视图，从图中可以看到由筋8隔开的凹槽6。

图6和图7的实施例包括一个双头螺施1，永久磁铁径向地排列在它的螺旋3、4内。蕊轴5采用软磁材料制成。围绕着双头螺旋装有一个实际上与其同轴的波纹管，沿其轴向有波峰11和波谷12，其间距和斜率与双头螺旋1的螺旋3、4相同。双头螺旋与波纹管相互间的关系是在所有情况下，每个螺旋都面对着波纹管的一个平顶的波峰。

正如图7可以看到的细节那样，波纹管10上带有一个能放入双头螺旋1的安装或固定零件（图中未表示出）的缝隙状的轴向开口13。

图8示出一种双头螺旋，其中的螺旋3、4用软磁性材料制成，并围绕着一个非磁性蕊轴5。正如图9所详细表示那样，永久磁铁14在螺旋3、4之间的空间内轴向地排列，其极性交替变化，使得在所有情况下，带北极指向的空间与带南极指向的空间交替排列。因此，螺旋两侧的极性总是相同，从而使螺旋也带有相同的极性，结果形成了高度密集的磁力线7，其形状大致如图9的虚线所示。

在图9仅示出其极小部分细节的一个实施例中，异形零件2由带肋的管件15构成。在所有情况下，径向的肋17是L形元件16的一部分，它们焊在一起组成一个环形管。

在图10所示的实施例中，磁铁14以与图1、2和6同样的方法径向放入双螺旋中。异形零件2按照图9所示实施例同样的方法由U形元件构成，这些U形元件按轴向顺序，将它们的角边相叠地焊在一起。于是，在所有情况下，焊在一起的角边便成了所制异形零件2的肋17。

在双头螺旋1的极性螺旋3、4之间有一个用非磁性钢制的保险螺旋20，该螺旋只有1-2圈，它径向凸出伸入到异形零件2或15的肋17之间，而且在它与肋17相配合的制动面积上带有闸衬21。保险螺旋20可用例如焊接方法固定在大体上为棒状的双头螺旋1的软磁性蕊轴5上。

最后，图11所示出了另一个实施例，其双头螺旋1的结构基本上与图8相同，即带有轴向装配的磁铁14。跟图10所示的实施例一样，异形零件2、15由U形元件焊成，这种装置也带有保险螺旋20，但它位于蕊轴5上没有双头螺旋1的极性螺旋3、4的部位，例如在转子的一端。为此，蕊轴5设有台阶22，其直径较大，大致等于极性螺旋3、4的直径。在保险螺旋20的有效制动面积上也带有一个闸衬21。在本实例中，它基本上复盖了保险螺旋的整个有效端面，而在图10的实施例中，闸衬仅占螺旋的轴向制动面积的一部分。在所有情况下，保险螺旋20都与肋17相对而隔开，即使在达到最大负荷的90%，保险螺旋20与肋17相接触并开始制动时，也不会过早地中断磁场。

Claims (22)

1、非接触型线性传动机构包含至少一个固定的、线性取向的导向零件和至少一个可沿导向零件移动的输送零件，它是一种由在旋转轴上螺旋状地排列的磁性件构成的零件，上述传动机构的特征是，它具有一个旋转零件，在其上装有隔开一定距离的两螺旋(3、4)，还有一个由磁性材料制成的异形零件(2)，在其上面设有材料的引道(8、11、17)，它们都位于螺旋(3、4)附近并与螺旋(3、4)保持一定的距离，形成通向下一螺旋的磁回路，由双头螺旋(1)或(3、4)与磁性回路组成的磁路产生一个恒定的磁场(7)。

2、根据权利要求1的线性传动机构，其特征是，双头螺旋（1）是固定的导向零件，而异形零件（2）则是可移动的输送零件。

3、根据权利要求1的线性传动机构，其特征是，双头螺旋（1）是可移动的输送零件，而异形零件（2）则是固定的导向零件。

4、根据权利要求1的线性传动机构，其特征是，异形零件（2）为U形或L形的异形导轨（9）。

5、根据权利要求1的线性传动机构，其特征是，异形零件（2）是一个管件（10），它有一个固定双螺旋（1）的缝隙状轴向开口（13）。

6、根据权利要求4和5的线性传动机构，其特征是，异形零件（2）有窗户式的凹槽（6）和位于凹槽（6）之间的筋（8），凹槽（6）的间距与螺旋（3、4）的间距相同。

7、根据权利要求1的线性传动机构，其特征是，异形零件（2）具有波纹形，其波峰（11）和波谷（12）在输送方向上连续排列，在所有情况下，其间距都与螺旋（3、4）的间距相同。

8、根据权利要求1的线性传动机构，其特征是，异形零件（2）有肋（17），它们与双头螺旋大致成直角，并且其间距与螺旋（3、4）的间距相同。

9、根据权利要求7的线性传动机构，其特征是，波峰（11）的顶部基本上与螺旋的周边表面平行，并且其轴向间距基本上与螺旋（3、4）相同。

10、根据权利要求1的线性传动机构，其特征是，异形零件（2）的材料的引道（8、11、17）以与螺旋（3、4）大致相同的方向倾斜。

11、根据权利要求8的线性传动机构，其特征是，异形零件（2）的肋（17）在所有情况下都是L形元件（16）的一个角边，并且在所有情况下以熟知的方式连续地与下一个角边连接。

12、根据权利要求8的线性传动机构，其特征是，异形零件（2）的肋（17）在所有情况下都由两个U形元件（18）的外侧平角边叠加而成，它们在运送方向上一个接一个地连续相接而且不可拆卸。

13、根据权利要求11和12的线性传动机构，其特征是，异形零件（2）由带肋管（15）构成，此时，L形元件（16）或U形元件（18）则通过焊接组成一个带有内肋（17）的环形管。

14、根据权利要求1的线性传动机构，其特征是，磁场（7）由永久磁铁14产生。

15、根据权利要求14的线性传动机构，其特征是，永久磁铁（14）装在输送零件双头螺旋（1）内，围绕蕊轴（5）的两个螺旋（3、4）被反向极化，另一个特征是，异形零件（2）由软磁性材料制成。

16、根据权利要求15的线性传动机构，其特征是，永久磁铁（14）在螺旋（3、4）内径向排列蕊轴（5）由软磁性材料制成。

17、根据权利要求15的线性传动机构，其特征是，螺旋（3、4）由软磁性材料制成，而蕊轴（5）则由非磁性材料制成，另一个特征是，永久磁铁（14）在螺旋（3、4）之间的空隙内轴向排列。

18、根据权利要求14的线性传动机构，其特征是，双头螺旋（1）由软磁性材料制成，而永久磁铁（14）则置于异形零件（2）中。

19、根据权利要求4的线性传动机构，其特征是，一个或多个双头螺旋（1）同一个或多个异形导轨（2、9）组合。

20、根据权利要求15的线性传动机构，其特征是，在双头螺旋输送零件上至少有一个用非磁性钢制成的保险螺旋（20），该螺旋至多只有两圈，伸入到异形管件（10、16、18）中，并位于肋（11、17）的上方，与异形零件（10、16、18）的上述肋（11、17）相配合。

21、根据权利要求20的线性传动机构，其特征是，保险螺旋（20）位于蕊轴（5）上带有径向磁铁（14）的极性螺旋（3、4）之间。

22、根据权利要求20的线性传动机构，其特征是，磁铁是轴向排列的，保险螺旋（20）位于蕊轴（5）上的极性螺旋（3、4）区域之外。

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