CN105186832A - 一种输出推力脉动减小的嵌入式磁力丝杠 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种输出推力脉动减小的嵌入式磁力丝杠，磁丝杆由一个丝杆螺旋电工铁环和若干个圆弧角均是45度的第一圆弧永磁体、第二圆弧永磁体、丝杆圆弧电工铁构成，磁螺母由一个螺母螺旋电工铁环和若干个圆弧角均是45度的第三圆弧永磁体、第四圆弧永磁体、螺母圆弧电工铁构成；丝杆螺旋电工铁环表贴在所有圆弧电工铁形成的螺旋轨迹的外表面上，螺母螺旋电工铁环表贴在所有螺母圆弧电工铁形成的螺旋轨迹的内表面上；本发明采用分段圆弧永磁体和分段圆弧电工铁拼接成螺旋聚磁结构，减小了工艺复杂度和加工成本，采用在螺旋聚磁模块表面放置理想螺旋电工铁环，能够在减小推力脉动的同时保证推力输出，增强磁力丝杠整体的机械强度。

Description

一种输出推力脉动减小的嵌入式磁力丝杠

技术领域

本发明涉及一种磁力丝杠的制造技术，特别涉及到具有螺旋形永磁体和螺旋磁路的磁力丝杠结构。

背景技术

磁力丝杠具有高推力密度、无接触摩擦、维护简单等特点，因此在很多场合如航空航天、海洋发电、人工心脏等领域具有很好的应用前景。目前，对磁力丝杠研究较多的是永磁体径向励磁的N、S极螺旋交替的表贴式磁力丝杠，此结构由磁螺母和磁丝杆构成，磁螺母做旋转运动，磁丝杆做直线运动，两者同时运动。由于丝杠永磁体采用N、S极交替励磁，所以此种结构存在一定的漏磁，从而降低了气隙的磁通密度，并且存在结构装配和螺旋永磁体加工的问题。

文献IEEETRANSACTIONSONINDUSTRYAPPLICATIONS,49（6）：2699-2708，2013(DesignofaMagneticLeadScrewforWaveEnergyConversion)介绍了一种永磁体嵌入式磁力丝杠，将轴向励磁且励磁方向相反的螺旋形永磁体放置在螺旋形铁磁材料两侧，磁螺母和磁丝杆均是采用永磁体嵌入式结构。虽然这种结构可以减小永磁体的漏磁，增加气隙磁感应强度，但这种永磁体嵌入式磁力丝杠的加工难度大，并且铁磁材料存在磁饱和现象，可以使部分永磁体产生不可逆退磁。由于磁力丝杠采用螺旋永磁体，然而永磁体机械性能较差，在加工和充磁时都不能承受较大的机械强度，加工难度比较大，从而限制了磁力丝杠的应用进展。

文献IEEETRANSACTIONSONENERGYCONVERSION,30（1）：41-50，2015（Magneticdesignaspectsofthetrans-rotarymagneticgear）介绍了永磁体分段磁力丝杠，将分段永磁体依次表贴在电工铁棒表面，形成阶梯型螺旋永磁体结构。虽然这种结构可以降低磁力丝杠的加工难度，但分段式结构推力脉动大，并且机械强度低。

因此，采用有效的办法解决螺旋永磁体的加工困难成为磁力丝杠急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决磁力丝杠永磁体加工困难和永磁体分段式磁力丝杠推力脉动大的问题，提出了一种简单有效、工程上易于执行的磁力丝杠。在保证高推力密度的同时，大大降低了磁力丝杠的加工难度和推力脉动。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：本发明由磁丝杆和磁螺母组成，磁螺母同轴空套在磁丝杆外且两者之间具有气隙，磁丝杆由一个丝杆螺旋电工铁环和若干个圆弧角均是45度的第一圆弧永磁体、第二圆弧永磁体、丝杆圆弧电工铁构成，磁螺母由一个螺母螺旋电工铁环和若干个圆弧角均是45度的第三圆弧永磁体、第四圆弧永磁体、螺母圆弧电工铁构成；每个所述丝杆圆弧电工铁、螺母圆弧电工铁的轴向两侧各紧密贴合一个圆弧永磁体，各形成一组丝杆聚磁模块、一组螺母聚磁模块；多组丝杆聚磁模块沿轴向紧密拼接形成一组丝杆模块集合，多组螺母聚磁模块沿轴向紧密拼接形成一组螺母模块集合，8组丝杆模块集合、8组螺母模块集合各沿圆周方向依次相差45度形成封闭的圆环，相邻的两个丝杆模块集合沿轴向依次地错开，相邻的两个螺母模块集合沿轴向依次地错开；8组丝杆模块集合中的所有丝杆圆弧电工铁、8组螺母模块集合中的所有螺母圆弧电工铁各形成螺旋状；丝杆螺旋电工铁环表贴在由8组丝杆模块集合中所有圆弧电工铁形成的螺旋轨迹的外表面上，螺母螺旋电工铁环表贴在由8组螺母模块集合中所有螺母圆弧电工铁形成的螺旋轨迹的内表面上；第一圆弧永磁体、第二圆弧永磁体励磁方向相反，沿轴向指向丝杆圆弧电工铁；第三圆弧永磁体和第四圆弧永磁体励磁方向相反，沿轴向指向螺母圆弧电工铁。

本发明采用上述技术方案后，具有如下有益效果：

1、本发明采用分段圆弧永磁体和分段圆弧电工铁拼接成螺旋聚磁结构，从而替代现有的整体螺旋形永磁体，因而减小了工艺复杂度和加工成本。并且保证磁力丝杠总的永磁体用量不会增加，从而控制材料成本。

2、本发明采用在螺旋聚磁模块表面放置理想螺旋电工铁环，可以引出理想螺旋形永磁体N、S磁路，因而对磁力丝杠的推力输出的大小和脉动都不会造成较大的影响，能够在减小推力脉动的同时保证推力输出，具有增强磁力丝杠整体的机械强度的特点。

3、本发明适用于航空航天、人工心脏泵、海洋发电等领域。相比与传统的直线电机，由于磁力丝杠是磁力传动，所以具有过负载能力强，维护费用低和清洁度高等优点。尤其在人工心脏泵领域，传统的人工心脏泵有轴流泵和直线心脏泵两种，轴流泵有较大的血损问题，虽然直线心脏泵可以解决血损问题，但是功率密度很低，对人工心脏泵的发展存在不可避免的限制，磁力丝杠与直流无刷电机整合后的人工心脏泵可以同时解决以上问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的结构剖视示意图；

图2是图1中轴向局部视图；

图3是图2所示局部结构的尺寸标注图；

图4是本发明在第一位置时的工作原理图；

图5是本发明在第二位置时的工作原理图；

图6是普通嵌入式永磁体磁力丝杠和改进后的输出推力对比示意图。

图中：1.磁丝杆；2.磁螺母；3-1.丝杆螺旋电工铁环；3-2.螺母螺旋电工铁环；4-1.第一圆弧永磁体；4-2.第二圆弧永磁体；4-3.第三圆弧永磁体；4-4.第四圆弧永磁体；5-1.丝杆圆弧电工铁；5-2.螺母圆弧电工铁；6-1.丝杆聚磁模块；6-2.螺母聚磁模块。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明由磁丝杆1和磁螺母2所组成，磁螺母2空套在磁丝杆1外，磁丝杆1、磁螺母2两者同轴并且之间具有气隙，磁丝杆1沿轴向做直线运动，即图1中的Z轴方向做直线运动，磁螺母2以Z轴为旋转中心做旋转运动，两者同时运动。

磁丝杆1由一个丝杆螺旋电工铁环3-1和若干个第一圆弧永磁体4-1、第二圆弧永磁体4-2、丝杆圆弧电工铁5-1构成。每个第一圆弧永磁体4-1、第二圆弧永磁体4-2和圆弧电工铁5-1的圆弧角均是45度，即1/8圆弧，每个第一圆弧永磁体4-1、第二圆弧永磁体4-2和丝杆圆弧电工铁5-1的圆弧的内外径相等、轴向长度也相等，即第一圆弧永磁体4-1、第二圆弧永磁体4-2和丝杆圆弧电工铁5-1这三者的结构尺寸均相同。

每个丝杆圆弧电工铁5-1轴向两侧各紧密贴合一个圆弧永磁体，将丝杆圆弧电工铁5-1无缝隙地嵌入在两个圆弧永磁体之间，即第一圆弧永磁体4-1、第二圆弧永磁体4-2紧密贴合在丝杆圆弧电工铁5-1轴向两侧，共同形成一组丝杆聚磁模块6-1，即一组丝杆聚磁模块6-1由一个第一圆弧永磁体4-1、一个第二圆弧永磁体4-2和一个丝杆圆弧电工铁5-1在轴向紧密贴合在一起组成。在一组丝杆聚磁模块6-1中，第一圆弧永磁体4-1和第二圆弧永磁体4-2均沿轴向励磁，两者的励磁方向相反，并且两者的励磁方向都指向其间的丝杆圆弧电工铁5-1。

多组丝杆聚磁模块6-1沿Z轴的轴向紧密拼接起来，之间不留空隙，形成一组丝杆模块集合，一组丝杆模块集合的径向横截面自然是圆弧角为45度的圆弧形。本发明拼接有8组丝杆模块集合，8组丝杆模块集合沿圆周方向依次相差45度，整体形成一个封闭的圆环，采用无缝拼接。在8组丝杆模块集合中，相邻的两个丝杆模块集合不仅沿Z轴旋转了45度，并且，沿Z轴方向依次地错开，错开的位移是丝杆圆弧电工铁5-1轴向长度的1/2。由此，8组丝杆模块集合中的所有丝杆圆弧电工铁5-1整体为螺旋形状。

将丝杆螺旋电工铁环3-1表贴放置在由8组丝杆模块集合中所有圆弧电工铁5-1形成的螺旋轨迹的外表面上，即在所有圆弧电工铁5-1外表面紧密贴有一个丝杆螺旋电工铁环3-1。通过丝杆螺旋电工铁环3-1尺寸合理性设计，使得丝杆螺旋电工铁环3-1不与第一圆弧永磁体4-1、第二圆弧永磁体4-2接触，仅与所有丝杆圆弧电工铁5-1外表面贴合。丝杆螺旋电工铁环3-1的螺距为2倍的丝杆圆弧电工铁5-1的轴向长度。由此引出理想的螺旋磁路。

磁螺母2的加工方法与磁丝杆1一致，空套在磁丝杆1上。磁螺母2由一个螺母螺旋电工铁环3-2和若干个第三圆弧永磁体4-3、第四圆弧永磁体4-4、螺母圆弧电工铁5-2构成。磁螺母2中的第三圆弧永磁体4-3、第四圆弧永磁体4-4的尺寸结构和连接方式与磁丝杆1中的第一圆弧永磁体4-1、第二圆弧永磁体4-2结构尺寸和连接方式相同；螺母圆弧电工铁5-2的结构尺寸和连接方式与磁丝杆1中的丝杆圆弧电工铁5-1的结构尺寸和连接方式相同。螺母螺旋电工铁环3-2的结构尺寸与磁丝杆1中的丝杆螺旋电工铁环3-1的结构尺寸相同，但连接方式不同，丝杆螺旋电工铁环3-2是表贴在丝杆圆弧电工铁5-2的内表面上。具体是：

每个第三圆弧永磁体4-3、第四圆弧永磁体4-4和螺母圆弧电工铁5-4的圆弧角均是45度。每个第三圆弧永磁体4-3、第四圆弧永磁体4-4和螺母圆弧电工铁5-2的圆弧的内外径相等、轴向长度也相等。每个螺母圆弧电工铁5-2轴向两侧各紧密贴合一个圆弧永磁体，将螺母圆弧电工铁5-2无缝隙地嵌入在两个圆弧永磁体之间，共同形成一组螺母聚磁模块6-2。螺母聚磁模块6-2的结构与磁丝杆1中的丝杆聚磁模块6-1的结构完全相同。在一组螺母聚磁模块6-2中，第三圆弧永磁体4-3和第四圆弧永磁体4-4均沿轴向励磁，两者的励磁方向相反，并且两者的励磁方向都指向之间的螺母圆弧电工铁5-2。多组螺母聚磁模块6-2延Z轴的轴向紧密拼接起来，之间不留空隙，形成一组螺母模块集合，一组螺母模块集合的径向横截面自然是圆弧角为45度的圆弧形。本发明拼接有8组螺母模块集合，8组螺母模块集合沿圆周方向形成一个封闭的圆环，采用无缝拼接。在8组螺母模块集合中，相邻的两个螺母模块集合不仅沿Z轴旋转了45度，并且，沿Z轴方向依次地错开，错开的位移是螺母圆弧电工铁5-2轴向长度的1/2。由此，8组螺母模块集合中的所有螺母圆弧电工铁5-2整体为螺旋形状。

将螺母螺旋电工铁环3-2表贴放置在由8组螺母模块集合中所有螺母圆弧电工铁5-2形成的螺旋轨迹的内表面上，通过螺母螺旋电工铁环3-2尺寸合理性设计，使得螺母螺旋电工铁环5-2不与第三圆弧永磁体4-3、第四圆弧永磁体4-4接触，仅与所有螺母圆弧电工铁3-2的内表面贴合。螺母螺旋电工铁环3-2的螺距为2倍的螺母圆弧电工铁5-2的轴向长度。由此引出理想的螺旋磁路。

磁丝杆1、磁螺母2两者之间具有的气隙就是丝杆螺旋电工铁环3-1和螺母螺旋电工铁环3-2之间的径向气隙。

如图3所示，本发明各部件之间的尺寸配合影响了推力波形和磁密分布，在综合考虑推力波形、和磁密分布的情况下，本发明限定几个主要尺寸比例关系如下：丝杆螺旋电工铁环3-1和螺母螺旋电工铁环3-2的轴向纵截面采用梯形形状，正对气隙侧是梯形底面，与螺旋电工铁环相贴合面是梯形顶面。梯形底面轴向长度S ₁ ，梯形顶面的轴向长度S ₂ 。梯形底面轴向长度S ₁ 与齿距T _p 之比K ₁ =0.5~0.9，S ₁ /T _p =0.5~0.9，齿距T _p 等于螺旋电工铁环轴向长度的2倍。梯形底面轴向长度S ₁ 与梯形顶面的轴向长度S ₂ 之比K ₂ =2~3.5，S ₁ /S ₂ =2~3.5。具体大小由磁力丝杠本身决定，本发明中K ₁ 取0.75、K ₂ 取2.5为优选。由于磁螺母2的尺寸配合和磁丝杆1尺寸一致，所以图3仅给出磁丝杆的尺寸标注。本发明采用的轴向截面为梯形的螺旋电工铁环，正对气隙的一端为梯形的底，能增加磁路的接触面积。

参见图4、5所示，本发明工作在第一位置时如图4所示，随着磁丝杆1的轴向移动，工作在第二位置时如图5所示，磁通路径的变化情况如图4、5中箭头所示。由于圆弧永磁体的励磁方向是恒定的，磁丝杆1中第一圆弧永磁体4-1、第二圆弧永磁体4-2产生的合成磁通穿过丝杆圆弧电工铁5-1和丝杆螺旋电工铁环3-1后，通过气隙，进入相对应的磁螺母2上的螺母螺旋电工铁环3-2和螺母圆弧电工铁5-2，通过磁螺母2中的第三圆弧永磁体4-3和第四圆弧永磁体4-4，再从相邻的螺旋电工铁环穿出，通过气隙，返回到磁丝杆1中。随着磁丝杆1运动产生的位移，气隙中的磁感应强度的切向分量显著增加，产生推力。当位移在T _p /2时，产生最大推力。

如图6所示，为不采用本发明中梯形螺旋电工铁环的现有分段式永磁体嵌入式磁力丝杠模型和本发明磁力丝杠的输出推力的比较图，图中曲线A1为现有分段式永磁体嵌入式磁力丝杠模型的推力输出波形，曲线B1为本发明磁力丝杠的推力输出波形，可以看到在保持其余参数不变的情况下，本发明磁力丝杠在大大降低加工难度的情况下，保证了高推力密度和低推力脉动的特点。

Claims (5)

1.一种输出推力脉动减小的嵌入式磁力丝杠，由磁丝杆（1）和磁螺母（2）组成，磁螺母（2）同轴空套在磁丝杆（1）外且两者之间具有气隙，其特征是：磁丝杆（1）由一个丝杆螺旋电工铁环（3-1）和若干个圆弧角均是45度的第一圆弧永磁体（4-1）、第二圆弧永磁体（4-2）、丝杆圆弧电工铁（5-1）构成，磁螺母（2）由一个螺母螺旋电工铁环（3-2）和若干个圆弧角均是45度的第三圆弧永磁体（4-3）、第四圆弧永磁体（4-4）、螺母圆弧电工铁（5-2）构成；每个所述丝杆圆弧电工铁（5-1）、螺母圆弧电工铁（5-2）的轴向两侧各紧密贴合一个圆弧永磁体，分别形成一组丝杆聚磁模块（6-1）、一组螺母聚磁模块（6-2）；多组丝杆聚磁模块（6-1）沿轴向紧密拼接形成一组丝杆模块集合，多组螺母聚磁模块（6-1）沿轴向紧密拼接形成一组螺母模块集合，8组丝杆模块集合、8组螺母模块集合各沿圆周方向依次相差45度形成封闭的圆环，且相邻的两个丝杆模块集合沿轴向依次地错开，相邻的两个螺母模块集合沿轴向依次地错开；8组丝杆模块集合中的所有丝杆圆弧电工铁（5-1）、8组螺母模块集合中的所有螺母圆弧电工铁（5-2）各形成螺旋状；丝杆螺旋电工铁环（3-1）表贴在由8组丝杆模块集合中所有圆弧电工铁（5-1）形成的螺旋轨迹的外表面上，螺母螺旋电工铁环（3-2）表贴在由8组螺母模块集合中所有螺母圆弧电工铁（5-2）形成的螺旋轨迹的内表面上；第一圆弧永磁体（4-1）、第二圆弧永磁体（4-2）励磁方向相反，沿轴向指向丝杆圆弧电工铁（5-1）；第三圆弧永磁体（4-3）和第四圆弧永磁体（4-4）励磁方向相反，沿轴向指向螺母圆弧电工铁（5-2）。

2.根据权利要求1所述输出推力脉动减小的嵌入式磁力丝杠，其特征是：丝杆螺旋电工铁环（3-1）和螺母螺旋电工铁环（3-2）的轴向纵截面是梯形，正对气隙侧是梯形底面，梯形底面轴向长度S ₁ 与齿距T _p 之比K ₁ =0.5~0.9，梯形底面轴向长度S ₁ 与梯形顶面轴向长度S ₂ 之比K ₂ =2~3.5。

3.根据权利要求1所述输出推力脉动减小的嵌入式磁力丝杠，其特征是：第一圆弧永磁体（4-1）、第二圆弧永磁体（4-2）、丝杆圆弧电工铁（5-1）、第三圆弧永磁体（4-3）、第四圆弧永磁体（4-4）、螺母圆弧电工铁（5-2）的结构尺寸均相同。

4.根据权利要求1所述输出推力脉动减小的嵌入式磁力丝杠，其特征是：相邻的两个丝杆模块集合沿轴向依次地错开的位移是丝杆圆弧电工铁（5-1）轴向长度的1/2，相邻的两个螺母模块集合沿轴向依次地错开的位移是螺母圆弧电工铁（5-2）轴向长度的1/2。

5.根据权利要求1所述输出推力脉动减小的嵌入式磁力丝杠，其特征是：丝杆螺旋电工铁环（3-1）不与第一圆弧永磁体（4-1）、第二圆弧永磁体（4-2）接触，丝杆螺旋电工铁环（3-1）的螺距为2倍的丝杆圆弧电工铁（5-1）的轴向长度；螺母螺旋电工铁环（5-2）不与第三圆弧永磁体（4-3）、第四圆弧永磁体（4-4）接触，螺母螺旋电工铁环（3-2）的螺距为2倍的螺母圆弧电工铁（5-2）的轴向长度。