CN105071630B - 一种叠层磁悬浮式推进器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叠层磁悬浮式推进器，属于电磁技术领域。本发明包括外壳、静磁极、动磁极、推进杆和驱动电路，静磁极由若干静磁极单元以相同角度叠层在一起组成，静磁极单元包括磁路环和线圈，磁路环上对称设有两个半圆形的线圈，且两个线圈的同名端相连；动磁极包括永磁磁环和软铁铁芯，软铁铁芯设于永磁磁环的内部，且动磁极的磁通方向为动磁极的直径方向；推进杆固定于动磁极上；每个静磁极单元具有一个独立控制该静磁极单元中线圈的电流方向及电流通断的驱动电路。本发明利用叠层式磁极实现连续推进，可以高速长距离推进，推进过程保持推力恒定，且耗电较低，充分利用电磁力的作用，还可利用叠层式磁极实现分段推进，适用于不同的推进距离。

Description

一种叠层磁悬浮式推进器

技术领域

本发明涉及一种磁力推进器，更具体地说，涉及一种叠层磁悬浮式推进器。

背景技术

常见的推进器有气动式推进器和电动式推进器，电动式推进器按驱动方式又分为电机驱动和电磁驱动。电机驱动的推进器一般需要采用齿轮减速箱减速后推动推进杆运动，将电机的旋转运动变成直线运动，利用电机的正反转完成推杆动作，适用于推动距离长，推动速度较慢的场合。电磁驱动的推进器一般采用磁极的吸引和排斥作用实现推进杆的运动，由于现有的电磁驱动的推进器推力的大小与距离的平方成反比，当距离较远时，推力会明显减小，因此适用于推进速度快，推进距离较短的场合。例如，中国专利号ZL201220246701.X，授权公告日为2012年12月5日，发明创造名称为：直线往复无刷电动机，该申请案涉及一种直线往复无刷电动机，它由机体、电磁铁、红外感应器、动磁极构成，机体中央设有滑槽，电磁铁分为电磁铁a和电磁铁b，分别固定在滑槽的上下端；动磁极为永磁铁结构，外形呈圆柱状，置于滑槽中，动磁极上下端对称固定运动轴；红外感应器设有两对，红外发射器a和红外接收器b为一对，红外发射器c和红外接收器d为一对；红外发射器a和红外接收器b设在滑槽上端两侧，红外发射器c和红外接收器d设在滑槽下端两侧。该申请案通过磁铁之间的磁力实现动力的往复运动，它改变了现有电动机的运动模式，能广泛应用于往复运动机构或间歇式运动机构。该申请案就存在推力的大小与距离的平方成反比，行程距离较远时，推力会明显减小的问题，只能适用于推进距离较短的场合。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有电磁推进器的上述不足，提供一种叠层磁悬浮式推进器，采用本发明的技术方案，利用叠层式磁极实现连续推进，不但可以高速长距离推进，推进过程基本保持线性，推进过程保持推力恒定，推力不受距离限制，而且耗电较低，充分利用电磁力的作用，小电流即可产生大的作用力，还可以利用叠层式磁极实现分段推进，适用于不同的推进距离。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种叠层磁悬浮式推进器，包括外壳、静磁极、动磁极、推进杆和驱动电路，所述的静磁极由若干静磁极单元以相同角度叠层在一起组成，所述的静磁极单元包括磁路环和线圈，所述的磁路环的两端端面上分别设有一个环形槽，且该环形槽被开设于磁路环上的两个线圈安装孔分为两个半圆形的线圈安装槽，两个所述的线圈安装槽内各设有一个线圈，且两个线圈的同名端相连；所述的动磁极包括永磁磁环和软铁铁芯，所述的软铁铁芯设于永磁磁环的内部，且动磁极的磁通方向为动磁极的直径方向；所述的推进杆固定于动磁极上；所述的静磁极固定于外壳内，所述的动磁极设于静磁极内部，且推进杆与外壳导向滑动配合；每个所述的静磁极单元具有一个独立控制该静磁极单元中线圈的电流方向及电流通断的驱动电路，所述的驱动电路通过控制每层静磁极单元中线圈的电流方向及电流通断来驱动动磁极实现往复运动。

更进一步地，所述的驱动电路包括电源、微处理器、功率开关和位置检测元件，所述的位置检测元件将动磁极的位置信号反馈给微处理器，所述的微处理器通过电平转换电路控制功率开关实现对应静磁极单元中线圈的电流方向及电流通断的控制。

更进一步地，所述的驱动电路通过改变静磁极单元中线圈的电流大小及通断来改变相应静磁极单元叠层构成的推进段的推进力，实现推进器的分段推进。

更进一步地，所述的动磁极与静磁极之间的间隙小于0.5mm。

更进一步地，所述的磁路环由硅钢片叠加而成或由磁性材料铸型而成。

更进一步地，所述的外壳包括桶状壳体和密封壳体的端盖，所述的端盖上设有一与推进杆相配合的导孔。

更进一步地，所述的外壳上位于推进器运动行程的两端各设有一个缓冲垫。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种叠层磁悬浮式推进器，其静磁极由若干静磁极单元以相同角度叠层在一起组成，静磁极单元包括磁路环和线圈，磁路环的两端端面上分别设有一个环形槽，且该环形槽被开设于磁路环上的两个线圈安装孔分为两个半圆形的线圈安装槽，两个线圈安装槽内各设有一个线圈，且两个线圈的同名端相连；动磁极包括永磁磁环和软铁铁芯，软铁铁芯设于永磁磁环的内部，且动磁极的磁通方向为动磁极的直径方向；推进杆固定于动磁极上；每个静磁极单元具有一个独立控制该静磁极单元中线圈的电流方向及电流通断的驱动电路，驱动电路通过控制每层静磁极单元中线圈的电流方向及电流通断来驱动动磁极实现往复运动；利用叠层式磁极可以方便地实现推进杆的连续推进，且推进过程基本保持线性，推进过程保持推力恒定，推力不受距离限制，通过增减静磁极单元可以改变推进行程，可以实现高速长距离推进；

(2)本发明的一种叠层磁悬浮式推进器，其驱动电路包括电源、微处理器、功率开关和位置检测元件，位置检测元件将动磁极的位置信号反馈给微处理器，微处理器通过电平转换电路控制功率开关实现对应静磁极单元中线圈的电流方向及电流通断的控制；驱动电路结构简单，推进器控制容易；

(3)本发明的一种叠层磁悬浮式推进器，其驱动电路通过改变静磁极单元中线圈的电流大小及通断来改变相应静磁极单元叠层构成的推进段的推进力，实现推进器的分段推进，推进杆在行程范围内能够精确停留在任意位置，适用于不同的推进距离，这是传统推进器难以做到的；

(4)本发明的一种叠层磁悬浮式推进器，其动磁极与静磁极之间的间隙小于0.5mm，充分利用电源产生的电磁力的相互作用，小电流即可产生大的作用力，耗电较低；

(5)本发明的一种叠层磁悬浮式推进器，其推进和缩回过程可逆，可以实现双向推进，并能够在不损失速度和减小能耗的情况下，实现长距离推进。

附图说明

图1为本发明的一种叠层磁悬浮式推进器的剖视结构示意图；

图2为本发明中的静磁极单元的结构示意图；

图3为图2中的A-A方向剖视示意图；

图4为图2中的B-B方向剖视示意图；

图5(a)和图5(b)为静磁极的叠层方式示意图；

图6为本发明中的磁路环的结构示意图；

图7为图6中的C-C方向剖视示意图；

图8为图6中的D-D方向剖视示意图；

图9为本发明中一组静磁极单元中的两个线圈的示意图；

图10为图9中所示的两个线圈的电连接示意图；

图11为本发明中的动磁极的轴向剖视结构示意图；

图12为本发明中的动磁极的横断面结构示意图(磁通方向)；

图13为本发明中动磁极与推进杆的连接结构示意图；

图14为本发明中动磁极与静磁极的装配断面示意图；

图15为本发明中的驱动电路的电路原理图；

图16为本发明中驱动电路的功率开关的电路图；

图17为本发明的一种叠层磁悬浮式推进器的运动状态示意图。

示意图中的标号说明：

1、静磁极；11、静磁极单元；11-1、磁路环；11-2、线圈；11-3、线圈安装孔；11-4、线圈安装槽；2、动磁极；21、永磁磁环；22、软铁铁芯；3、推进杆；4、壳体；5、端盖；6、缓冲垫。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

图1为本发明的一种叠层磁悬浮式推进器的轴截面剖视结构示意图，由图可知，本发明的推进器，在结构上，主要由外壳、静磁极1、动磁极2和推进杆3组成，静磁极1由若干静磁极单元11以相同角度叠层在一起组成，外壳包括桶状壳体4和密封壳体4的端盖5，端盖5上设有一与推进杆3相配合的导孔，外壳上位于推进器运动行程的两端各设有一个缓冲垫6。图2至图5所示的是静磁极单元11的结构示意图，静磁极单元11包括磁路环11-1和线圈11-2，磁路环11-1的两端端面上分别设有一个环形槽，且该环形槽被开设于磁路环11-1上的两个线圈安装孔11-3分为两个半圆形的线圈安装槽11-4(如图6、图7和图8所示)，两个线圈安装槽11-4内各设有一个线圈11-2(线圈11-2的结构如图9所示)，且两个线圈11-2的同名端相连，使当一组静磁极单元11中的两个线圈11-2按图10所示电连接时，这两个线圈11-2在同一个线圈安装孔11-3中的极性相同。上述的“静磁极1由若干静磁极单元11以相同角度叠层在一起组成”中的“相同角度”是指各组静磁极单元11堆叠时，其上的各个线圈11-2的位置时对应的，例如图5所示，假设静磁极单元11的左侧线圈11-2以a表示，右侧线圈11-2以b表示(如图5(a)所示)，则在多组静磁极单元11堆叠时，以a表示的线圈11-2均重叠，以b表示的线圈11-2也均重叠(如图5(b)所示)。图11和图12为本发明中的动磁极2的结构示意图，动磁极2包括永磁磁环21和软铁铁芯22，软铁铁芯22设于永磁磁环21的内部，且动磁极2的磁通方向为动磁极2的直径方向(如图12所示)；软铁铁芯22的中心设有推进杆安装孔，推进杆3通过推进杆安装孔固定于动磁极2上(如图13所示)。如图14所示，动磁极2设于静磁极1内部，且推进杆3与外壳导向滑动配合，动磁极2与静磁极1之间的间隙很小，较佳的是小于0.5mm。图15所示的是本发明中的驱动电路的电路原理图，如图所示，每个静磁极单元11具有一个独立控制该静磁极单元11中线圈11-2的电流方向及电流通断的驱动电路，驱动电路通过控制每层静磁极单元11中线圈11-2的电流方向及电流通断来驱动动磁极2实现往复运动；驱动电路包括电源、微处理器、功率开关和位置检测元件，位置检测元件将动磁极2的位置信号反馈给微处理器，微处理器通过电平转换电路控制功率开关实现对应静磁极单元11中线圈11-2的电流方向及电流通断的控制。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例

如图1至图15所示，本实施例的一种叠层磁悬浮式推进器，包括外壳、静磁极1、动磁极2、推进杆3和驱动电路，静磁极1由若干静磁极单元11以相同角度叠层在一起组成，静磁极单元11包括磁路环11-1和线圈11-2，磁路环11-1的两端端面上分别设有一个环形槽，且该环形槽被开设于磁路环11-1上的两个线圈安装孔11-3分为两个半圆形的线圈安装槽11-4，即形成两个相对的磁爪，两个线圈安装槽11-4内各设有一个线圈11-2，且两个线圈11-2的同名端相连，在静磁极单元11的两个线圈11-2通电后，静磁极单元11产生的磁通方向为静磁极单元11的直径方向；磁路环11-1可由硅钢片叠加而成或由磁性材料铸型而成，制造方便；动磁极2包括永磁磁环21和软铁铁芯22，软铁铁芯22设于永磁磁环21的内部，且动磁极2的磁通方向为动磁极2的直径方向；推进杆3固定于动磁极2上，推进杆3可采用普通钢材或其他材料制作；静磁极1固定于外壳内，动磁极2设于静磁极1内部，且推进杆3与外壳导向滑动配合，动磁极2与静磁极1之间的间隙小于0.5mm，可以充分利用电源产生的电磁力的相互作用，小电流即可产生大的作用力，耗电较低；每个静磁极单元11具有一个独立控制该静磁极单元11中线圈11-2的电流方向及电流通断的驱动电路，驱动电路通过控制每层静磁极单元11中线圈11-2的电流方向及电流通断来驱动动磁极2实现往复运动。本实施例中的驱动电路包括电源、微处理器、功率开关和位置检测元件，位置检测元件将动磁极2的位置信号反馈给微处理器，微处理器通过电平转换电路控制功率开关实现对应静磁极单元11中线圈11-2的电流方向及电流通断的控制，驱动电路结构简单，推进器控制容易。当然，驱动电路中的位置检测元件元件并不是必须的，也可以不用。驱动电路可以实现为线圈11-2通入正向电流、通入反向电流和切断电流三个功能，该功能主要由功率开关完成，功率开关的电路原理如图16所示，当TV1和TV4导通，TV2和TV3截止时，线圈11-2通过正向电流；当TV1和TV4截止，TV2和TV3导通时，线圈11-2通过反向电流；当TV1、TV2、TV3和TV4均截止时，线圈11-2没有电流流过。

本实施例的一种叠层磁悬浮式推进器，其外壳包括桶状壳体4和密封壳体4的端盖5，端盖5上设有一与推进杆3相配合的导孔，外壳上位于推进器运动行程的两端还各设有一个缓冲垫6，外壳结构简单，便于加工制造。另外，将推进杆3两端分别穿出外壳，推进和缩回过程可逆，可以实现双向推进；并能够在不损失速度和减小能耗的情况下，实现长距离推进。值得说明的是，驱动电路通过改变静磁极单元11中线圈11-2的电流大小及通断来改变相应静磁极单元11叠层构成的推进段的推进力，实现推进器的分段推进，即可以先用较大的推进力推进再用较小的推进力推进，也可以仅在推进行程的某一段进行推进，具体可根据实际情况设定，可适用于不同的推进距离，推进杆在行程范围内能够精确停留在任意位置，这是传统推进器难以做到的。

本实施例的一种叠层磁悬浮式推进器，利用叠层式磁极可以方便地实现推进杆的连续推进，且推进过程基本保持线性，推进过程保持推力恒定，推力不受距离限制，通过增减静磁极单元可以改变推进行程，可以实现高速长距离推进。下面以4组静磁极单元11组成的推进器阐述本发明的一种叠层磁悬浮式推进器的工作原理及过程：

参见图17所示，将4组静磁极单元11分别由下往上定义为磁极A、磁极B、磁极C和磁极D，在自然状态下，推进杆3的位置是随机的，当磁极A中通入正向电流时，动磁极2的位置将被固定在如图17的1#位置处，即动磁极2位于磁极A的位置处；这是，如果在磁极B中也通入正向电流，则动磁极2会上浮到磁极A和磁极B之间的位置，关断磁极A的电流，则动磁极2会继续上浮到如图17的2#位置处，即动磁极2位于磁极B的位置处；然后，将磁极C中通入正向电流，则动磁极2会上浮到磁极B和磁极C之间的位置，关断磁极B的电流，则动磁极2会继续上浮到如图17的3#位置处，即动磁极2将位于磁极C的位置处；将磁极D中通入正向电流，则动磁极2会上浮到磁极C和磁极D之间的位置，关断磁极C的电流，则动磁极2会继续上浮到如图17的4#位置处，即动磁极2将位于磁极D的位置处，完成推进器的推进过程。

推进器的缩回过程与推进过程相反，依次按照“磁极C通电、磁极D断电——磁极B通电、磁极C断电——磁极A通电、磁极B断电”的顺序，动磁极2即可返回到如图17的5#位置处，完成推进器的复位。

本发明的一种叠层磁悬浮式推进器，利用叠层式磁极实现连续推进，不但可以高速长距离推进，推进过程基本保持线性，推进过程保持推力恒定，推力不受距离限制，而且耗电较低，充分利用电磁力的作用，小电流即可产生大的作用力，还可以利用叠层式磁极实现分段推进，适用于不同的推进距离。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种叠层磁悬浮式推进器，包括外壳、静磁极(1)、动磁极(2)、推进杆(3)和驱动电路，其特征在于：所述的静磁极(1)由若干静磁极单元(11)以相同角度叠层在一起组成，所述的静磁极单元(11)包括磁路环(11-1)和线圈(11-2)，所述的磁路环(11-1)的两端端面上分别设有一个环形槽，且该环形槽被开设于磁路环(11-1)上的两个线圈安装孔(11-3)分为两个半圆形的线圈安装槽(11-4)，两个所述的线圈安装槽(11-4)内各设有一个线圈(11-2)，且两个线圈(11-2)的同名端相连；所述的动磁极(2)包括永磁磁环(21)和软铁铁芯(22)，所述的软铁铁芯(22)设于永磁磁环(21)的内部，且动磁极(2)的磁通方向为动磁极(2)的直径方向；所述的推进杆(3)固定于动磁极(2)上；所述的静磁极(1)固定于外壳内，所述的动磁极(2)设于静磁极(1)内部，且推进杆(3)与外壳导向滑动配合；每个所述的静磁极单元(11)具有一个独立控制该静磁极单元(11)中线圈(11-2)的电流方向及电流通断的驱动电路，所述的驱动电路通过控制每层静磁极单元(11)中线圈(11-2)的电流方向及电流通断来驱动动磁极(2)实现往复运动。

2.根据权利要求1所述的一种叠层磁悬浮式推进器，其特征在于：所述的驱动电路包括电源、微处理器、功率开关和位置检测元件，所述的位置检测元件将动磁极(2)的位置信号反馈给微处理器，所述的微处理器通过电平转换电路控制功率开关实现对应静磁极单元(11)中线圈(11-2)的电流方向及电流通断的控制。

3.根据权利要求2所述的一种叠层磁悬浮式推进器，其特征在于：所述的驱动电路通过改变静磁极单元(11)中线圈(11-2)的电流大小及通断来改变相应静磁极单元(11)叠层构成的推进段的推进力，实现推进器的分段推进。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种叠层磁悬浮式推进器，其特征在于：所述的动磁极(2)与静磁极(1)之间的间隙小于0.5mm。

5.根据权利要求4所述的一种叠层磁悬浮式推进器，其特征在于：所述的磁路环(11-1)由硅钢片叠加而成或由磁性材料铸型而成。

6.根据权利要求5所述的一种叠层磁悬浮式推进器，其特征在于：所述的外壳包括桶状壳体(4)和密封壳体(4)的端盖(5)，所述的端盖(5)上设有一与推进杆(3)相配合的导孔。

7.根据权利要求6所述的一种叠层磁悬浮式推进器，其特征在于：所述的外壳上位于推进器运动行程的两端各设有一个缓冲垫(6)。