CN1055089A

CN1055089A - 磁力运动变换机构与旋转机

Info

Publication number: CN1055089A
Application number: CN 90101263
Authority: CN
Inventors: 杨玉福
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-03-14
Filing date: 1990-03-14
Publication date: 1991-10-02

Abstract

磁力运动变换机构与旋转机属于磁力传动装置。

磁力运动变换机构由往复磁铁与旋转磁铁组成动态磁路，是以磁力为媒介实现高效率往复旋转运动变换的基本机构，应用该机构能组成多种机械装置和部件，可取代现有运动变换机构解决其结构复杂、磨损高、效率低等问题；旋转机是应用基本机构设计的一种磁力旋转机器，其转速自动调节，可用于小型机动、电动车、船及一般加工机械。

Description

本发明属于磁力传动装置。

现有往复旋转运动变换机构是由曲柄连杆、齿轮、齿条、凸轮、螺纹等组成的传统机构;近年来又发展了多种机械、电磁式运动变换机构，如在专利文献通报86年（工程部件）上发表的SU1110969、SU1110971、EP134746和89年专利公开的CN1030969A等所述的机构。以上机构都不同程度地存在着结构复杂、不易制造、摩擦损耗高、需充分润滑，效率低、可逆性差等问题。

相近技术是磁力应用装置和部件，主要有磁性传动器、磁力电机、磁力轴承和磁悬浮系统中的永磁构件等。此类技术可参考《永磁材料及其应用》宋后定、陈培林编，机械工业出版社1984年版（第五章，第二节）;美国专利4.179.633号《磁轮传动装置》，89年专利公开CN86104709A等文献。还有一类磁力应用装置是以所谓“不需外界能源的磁动机”技术，此类装置只在其结构上有一些参考作用。可参阅专利公开88年CN85103414A、89年CN86104499A，86年专利文献通报JP59-63373、JP59-77085、FR2564656等所述。上述相近技术一般采用磁极一端固定，另一端动作或两端同向动作;由磁极间的吸力或斥力单独作用的磁路结构，只能实现直线或旋转一种运动形式。

本发明设计了不同于现有机构和相近技术的结构与运动形式，目的是在一定应用范围内取代机械、电磁式运动变换机构，解决其存在的不足问题，提高运动变换效能，提供一种新型的往复旋转运动变换机构与应用该机构设计的多功能旋转机。

为便于理解，下面以磁力运动变换机构（以下简称机构）的基本结构实施例和磁力旋转机具体实施例作分别说明。

说明是参照附图进行的。

图1、机构的基本结构图;

图2、机构由往复至旋转运动变换与旋转机驱动部分结构图;

图3、旋转机电磁驱动部分与传动部分结构简图;

图4、机构空载情况下输入、输出力F与力矩M示功图;

图4（a），输入力矩M在角位移（0-π）所作的功，

图4（b），输出力F在行程（0-X）所作的功，

图4（c），输入力F₁在行程（0-X₁）所作的功，

图4（d），输出力矩M₁在角位移（0-π₁）所作的功。

磁力运动变换机构是以磁力为媒介由磁极间的吸引力和排斥力同时作用，实现往复与旋转运动变换的基本机构。

如图1所示，机构由（1）机架、（2）滑套、（3）碟形弹簧、（4）往复导杆、（5）往复磁铁、（6）旋转磁铁、（7）主轴、（8）往复架等组成。由一对往复磁铁（5）和一对旋转磁铁（6）组成无定子动态磁路，由往复架（8）、往复导杆（4）、碟形弹簧（3）、主轴（7）、机架（1）、滑套（2）组成运动结构。一对矩形往复磁铁（5）N·N极相对安装在往复架（8）两端，由一对往复导杆（4）和四个滑套（2）支撑往复架（8）并使之往复滑动;滑套内侧装有一对碟形弹簧（3），弹簧起平衡推力，减轻振动作用。一对旋转磁铁（6）N·S极相对安装在主轴（7）上，如旋转输入，往复输出时磁铁（6）采用瓦形同心安装，利于减小阻力矩增大输出推力;如往复输入，旋转输出时磁铁（6）采用弧顶梯形以偏e安装（见图2），利于克服死点，产生同向转矩。旋转磁铁在往复磁铁内侧运转，其长度相等，极面应平行并对齐以保证磁极间的最大磁力作用，磁极间有最小气隙（和最大气隙（即往复行程）X。机构安装时主轴轴线与往复架水平中心线垂直，主轴垂直穿过往复架内侧并在一对往复磁铁之间自由转动。

运动变换原理与功能分析

机构的核心是由一对磁铁（5）和一对磁铁（6）组成的动态磁路结构。利用磁力定律（相同磁极相互排斥，不同磁极相互吸引），使两对磁铁相对运动，吸引力和排斥力同时作用，在磁力势能与机械动能互相转化的过程中，实现往复运动与旋转运动的变换。机构中磁场呈空间不均匀分布，气隙磁通量φ₉和气隙磁导P₉在磁极角位移θ内不断变化。为简明起见，根据机械功能原理和磁能基本公式列出如下表达式。

在旋转运动作功时：

W_g＝（ 1/2 φ²g/P_g）COSα T_θ＝θ（MCOSα）

设：W_g＝T_θ

则：（ 1/2 φ²g/P_g）COSα＝θ（MCOSα）（1）

式中：W_g-气隙磁能，φ_g-气隙磁通量。

P_g-气隙磁导，α-转角（α＝0 COSα＝1

α＝π/2 COSα＝0）

T_g-合力矩M在角位移θ所作的功

M-磁极间产生的合力矩，θ-角位移（弧度）在往复运动作功时：

W_m＝ 1/2 （BH）_mV_x＝ 1/2 FX

设：W_m＝V_x则 1/2 （BH）_m＝ 1/2 FX（2）

式中：W_m-最大磁势能 B-气隙磁密

H-气隙磁场

V_x-合力F在线位移X所作的功

F-磁极间在X向产生的合力

X-线位移

根据表达式（1）（2）简化计算和实验数据可作出在空载情况下机构输入、输出力F与力矩M示功图如图4（a、b、c、d）所示。

在机构作往复运动输出时，如图1、图4（a、b）所示，图1为机构平衡位置。由外力驱动磁铁（6）旋转，磁铁（6）与磁铁（5）同极相斥，异极相吸;当磁铁（6）转到大于π/2时，磁铁（5）开始向左移动。磁铁（6）在θ由0至π/2之间为阻力矩-M作用，需外力作功，O点阻力矩最大;当大于π/2时磁铁（6）在磁铁（5）的吸引力作用下产生力矩M能自动旋转到π，可不需外力作功，π点力矩最大并突变为继续转动的阻力矩-M，其作功曲线在0至π之间由负到正变化见图4（a）。同时磁铁（5）在磁铁（6）的吸、斥力作用下行到左端，推力连续增到最大值F，其作功曲线在0到X之间增大见图4（b）。

在外力驱动下磁铁（6）继续旋转，当转到大于3π/2时，磁铁（5）开始向右移动，磁铁（6）自动旋转到2π，磁铁（5）行至右端，推力增到最大值。此时机构完成一个往复行程，如此循环，磁铁（6）每旋转一周，机构往复运动一次。输入力矩每旋转半周可间歇一次，且正常运转时小于起始力矩;而输出力连续增大，在端点有最大值，因此，机构能把可间歇驱动的旋转运动变换为大推力往复运动。

在机构作旋转运动输出时，如图2、图4（c、d）所示，图2为机构平衡位置。由外力驱动连杆（1）使磁铁（5）往复运动，磁铁（5）在起动时需最大推力-F₁，推力在行程0到X₁/2之间递减;在行程大于X₁/2时，可不需外力作功自动移至端点，推力恢复到最大值F₁，其作功曲线在0到X₁之间由负到正变化，见图4（c）。同时，磁铁（6）在磁铁（5）的吸、斥力作用下，克服死点产生同向转矩，逆时针由0转到π₁，其输出力矩在两端点最大，作功曲线在0到π之间变化，见图4（d）。如此循环，磁铁（5）往复一次，磁铁（6）旋转一周。输入推力每行程X可间歇一次，且在正常运转时小于起始推力;行程X小于起始行程，而输出力矩连续变化，在转角0点和π点有最大值;因此，机构能把可间歇驱动的往复运动变换为高效率的旋转运动。

机构在运动变换过程中，其输入力或力矩可获得间歇驱动效果;磁力联接使往复与旋转运动同步，只要提高往复频率就能使输出端高速运转，反之提高旋转速度就能加快输出频率。由于机构运动变换过程就是磁力势能与机构动能互相转化的过程，磁极间的法向吸、斥力大于切向吸、斥力;且机构往复输出时旋转磁铁半径很小，使阻力矩减小;机构旋转输出时采用加大的磁铁半径，使力矩增大，从而增大输出力或力矩所作的功，使机构具有增能作用。

图4（a、c）所示，功区Ⅰ为需外力作的功，功区Ⅱ为磁力势能所作的恢复内功;图4（b、d）所示为磁力势能所作的输出功。在空载时功区Ⅰ大于等于功区Ⅱ，小于输出功;在有外载荷情况下输入力或力矩增大，间歇行程缩短，当与阻力或阻力矩平衡后对外输出作功，功区Ⅰ增大到小于等于输出功。当阻力大于磁极间产生的力或力矩时，机构过载不能对外作功，故传动载荷应取在机构最大载荷范围以内，以便获得增大的输出效能。

上述分析证明：机构的运动变换过程与机械、电磁式机构相似，且效能高于现有机构，具有节约输入能量、增大输出效能，可自动过载保护、结构简单、可逆性好等优点，因此，在一定范围内可取代现有机构，解决其存在的不足问题。

旋转机是应用基本机构设计的一种磁力旋转装置，由基本机构、驱动部分、传动部分组成，基本机构与驱动部分合成为电磁驱动部分，与传动部分垂直安装，传动部分各部件同轴排列安装。

如图2所示，电磁驱动部分由（11）摆动连杆、（12）往复铁心、（13）线圈、（14）弹簧、（5）往复磁铁、（6）旋转磁铁、（7）主轴、（15）滚子开关、（9）凸轮、（10）蓄电池组成。

摆动连杆（11）和电磁铁往复铁心（12）串联与机构往复架连接组成驱动结构。连杆长边力臂是短边力臂的4倍，在该机起动时和无电源情况下由机械力或人力驱动旋转机;电磁铁往复铁心力臂是短边力臂的2倍，在正常运转时驱动旋转机。

电磁铁线圈（13）由蓄电池（10）供电，由滚子开关（15）和凸轮（9）控制。凸轮（9）是半圆形安装在主轴（7）一端，对应凸轮安装开关（15），凸轮同轴一起旋转使开关（15）接通或断开。开关（15）接通时，线圈（13）励磁吸合铁心（12），驱动摆动连杆使轴（7）旋转半周，此时凸轮达低点开关（15）断开，弹簧（14）使铁心返回，轴（7）又转半周。这样摆动连杆，每摆动一次，轴（7）旋转一周，凸轮和滚子开关使电磁铁往复频率与主轴旋转速度同步，因此，该机旋转速度可根据需要自动调节。

如图3所示，（5-15）为电磁驱动部分，旋转机传动部分由（27）圆锥轴承、（22）推力球轴承、（23）飞轮、（24）单向离合器、（25）锥体离合器、（26）导键套、（17）导键轴、（18）双向推力球轴承、（19）滑劝齿轮、（20）侧齿离合器、（21）发电机组成。

主轴由一对圆锥轴承（27）支撑在机架上，飞轮（23）由推力球轴承（22）和单向离合器（24）支撑在主轴一端，单向离合器能使主轴按一定转速驱动飞轮相对主轴超速运转，飞轮起平衡扭矩和储能作用。在飞轮端面安装锥体离合器（25）的主动片，在导键轴（17）左端安装导键套（26）和锥体离合器从动片，当离合器（25）接合时，飞轮输出扭矩驱动导键轴旋转;导键轴由双向推力球轴承（18）支撑在机架上，在导键轴右端安装滑动齿轮（19）和侧齿离合器（20）。齿轮（19）用于联接外机输出动力，当离合器（20）接合，齿轮（19）与外机脱开时，该机驱动发电机（21）发电输出电能。

该机在起动时需脱开离合器（25），由机械力或手摇驱动连杆（11）使飞轮加速;然后接通电磁铁使之正常运转，当飞轮达到高速时再接合离合器（25）对外输出动力。

综上所述，本发明具有如下特点：

1、机构采用无定子动态磁路结构，能使磁极两端相对运动，吸、斥力同时作用;以磁力为媒介在不接触情况下实现往复，旋转运动变换，可自动过载保护。

2、机构输入力或力矩有间歇驱动效果，能使往复运动交换为高效率旋转运动，使旋转运动变换为大推力往复运动;可显著提高输出效率，节约输入能量。

3、机构运动变换效能可满足多种机器和装置所需，能克服现有运动变换机构，存在的结构复杂、摩擦损耗高、效率低等不足。

4、旋转机采用摆动连杆与电磁铁串联驱动结构，可用机械力（包括人力）与电磁力单独驱动或联合驱动。

5、旋转机装有单向离合器飞轮结构，使飞轮相对主轴超速运转，具有平衡扭矩和储能作用。

6、旋转机传动部分同轴排列，有双离合器结构，使该机结构紧凑，具备起动容易、可直接输出动力或驱动发电机等功能。

7、旋转机转速可根据需要自动调节，能实现高速运转，具有过载保护功能。

8、机构与旋转机电磁部分所有永久磁铁采用廉价钕、铁、硼永磁材料，其它构件采用高性能导磁材料和不导磁材料（即一般电工材料）制成。

9、机构的传动载荷需根据钕、铁、硼永磁材料的磁力（可达1-4kg/cm²）范围，按载荷所需进行设计;可采用多组并联磁路结构组成复合机构，增大传递动力。

应用基本机构能组成多种往复旋转运动机械和传动部件，用于取代现有机械、电磁式运动变换机构。

磁力旋转机可广泛应用于各种小型动力、发电机和机动、电动车、船及一般加工机械。该机有多种功能：如在蓄电池由固定电源充足电后驱动该机运转，可作为电磁发动机使用;如用机械力或人力（手摇）驱动该机发电，可作为发电机使用。如用在机动车船上，作电磁发动机使用时，可直接驱动车、船运行，作发电机使用时，可用该机输出电能驱动电动机使车、船运行。在蓄电池电量减少时，可在停车或空载情况下由人力驱动该机发电，补充蓄电池的耗电量，或由人力直接驱动该机使车船运行。因此，能大大延长行驶里程，提高机动性能，降低运行成本，成为无污染，低能耗，不受行程和时间限制的新型机动车、船。

由于机构与旋转机具有结构简单，运动变换效率高、适用范围广、寿命长、无污染、节能效果显著等优点;而且设计简单，其电磁部分精度要求不高，原材料易得，易于加工;传动部分多数零件采用标准件组装，制造成本低等因素，所以，具有一般设备加工能力的小厂就能接产实施，届时将取得可观的社会经济效益。

Claims

1、磁力运动变换机构与旋转机属于磁力传动装置，磁力运动变换机构是以磁力为媒介实现往复旋转运动变换的基本机构；其特征在于由一对往复磁铁和一对旋转磁铁组成无定子动态磁路，由往复架、往复导杆、碟形弹簧、主轴、机架、滑套组成运动结构；

旋转机是应用磁力运动变换机构设计的一种磁力旋转机器，其特征在于由基本机构、驱动部分、传动部分组成，基本机构与驱动部分合成为电磁驱动部分与传动部分垂直安装。

2、如权项1所述，磁力运动变换机构的磁路，其特征在于一对往复运动的磁铁是矩形，内侧呈N·N极相对安装在往复架两端;一对旋转运动的磁铁作主动旋转时，采用瓦形外周呈N·S极同心安装在主轴上;作从动旋转时，采用弧顶梯形外周呈N·S极偏心安装在主轴上;旋转磁铁在往复磁铁内侧运转，其长度相等，极面平行并对齐，磁极间有最小l最大X的动态气隙。

3、如权项1所述，磁力运动变换机构的结构，其特征在于往复架由一对往复导杆支撑在固定于机架上的四个滑套内，滑套内侧装有一对碟形弹簧，主轴垂直穿过往复架内侧安装，在一对往复磁铁之间自由转动。

4、如权项1所述，旋转机的驱动部分由摆动连杆、电磁铁、凸轮、滚子开关、蓄电池组成，其特征在于摆动连杆和电磁铁铁心串联与机构的往复架连接;在主轴一端安装半圆形凸轮，对应凸轮安装滚子开关，电磁铁由蓄电池供电由凸轮和滚子开关控制。

5、如权项1所述，旋转机的传动部分由主轴、飞轮、单向离合器、锥体离合器;导键轴、滑动齿轮、侧齿离合器组成;其特征在于传动部分各部件在同一轴线上排列安装，由锥体离合器联接主轴与导键轴，侧齿离合器联接发电机。

6、如权项5所述的传动部分，其特征是飞轮由轴承和单向离合器支撑在主轴上，在飞轮端面安装锥体离合器主动片，在导键轴一端安装锥体离合器从动片;导键轴另一端安装滑动齿轮和侧齿离合器。