CN106246784A - 一种基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧,包括第一halbach永磁阵列和第二halbach永磁阵列,所述第一halbach永磁阵列和所述第二halbach永磁阵列可相对运动，所述电涡流阻尼磁力弹簧还包括第三halbach永磁阵列，所述第三halbach永磁阵列和第一halbach永磁阵列可相对运动；所述电涡流阻尼磁力弹簧还包括第一电涡流阻尼件和第二涡流阻尼件。本发明通过采用电涡流阻尼件，能够增加定位弹簧的动态阻尼特性，使得定位弹簧在动作时得到缓冲，整个动作过程更为平缓，防止了定位弹簧动作过猛现象的出现。

Description

一种基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧

技术领域

本发明涉及一种阻尼定位部件，具体涉及一种基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧。

背景技术

带有定位功能的旋转弹簧被广泛应用到工业领域和生活中，例如大厦的弹簧门可以定位到“开”和“关”的状态；自动化生产线上的装载加工件的转台，也需要在各个固定角度切换。定位刚度高、定位角度切换迅速，是工业定位旋转弹簧的基本要求。

halbach磁极阵列通过将磁场角度旋转排列的磁极拼装在一起，形成单面高强度磁场。用halbach磁极阵列分别组成的定子和转子，其磁场强度比普通磁极排列更高，所以能提供更高的定位扭矩和切换速度。如美国专利US7265470A公开了一种定位弹簧，包括直线状或者环形状的两个halbach永磁阵列，通过永磁阵列之间的相互作用，实现线性运动或者旋转运动。然而，上述专利公开的定位旋转弹簧由于无阻尼，旋转时过猛容易导致过高的离心力，使得平衡点振动，对弹簧上搭载的设备带来不必要的晃动和冲击。例如，若将上述专利的旋转定位弹簧安装至弹簧门上，在开/关切换过程中，弹簧门会猛烈地运动至开或关的平衡点处，显然不利于弹簧门的使用和维护。因此，普通定位弹簧存在旋转或者直线运动过猛无缓冲的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧，利用halbach永磁阵列面对面产生的磁场并充分利用halbach永磁阵列背面的漏磁现象，实现了高定位刚度、高速切换的磁性弹簧，可用于快速切换结构中，同时又用电涡流原理缓解了磁性弹簧切换过于猛烈的动态特性，并且不影响高定位刚度的静态特性，为工业和民用领域提供了一种高定位刚度、切换迅速但不会产生过分振动的阻尼旋转定位弹簧。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案来实现：

一种基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧,包括第一halbach永磁阵列和第二halbach永磁阵列,所述第一halbach永磁阵列和所述第二halbach永磁阵列可相对运动，所述电涡流阻尼磁力弹簧还包括第三halbach永磁阵列，所述第三halbach永磁阵列和第一halbach永磁阵列可相对运动，第三halbach永磁阵列位于第一halbach永磁阵列的远离第二halbach永磁阵列的一侧；

所述电涡流阻尼磁力弹簧还包括第一电涡流阻尼件和第二涡流阻尼件；

所述第一电涡流阻尼件设置在所述第一halbach永磁阵列和所述第二halbach永磁阵列之间；所述第一电涡流阻尼件与所述第一halbach永磁阵列或所述第二halbach永磁阵列其中一者固定连接，所述第一电涡流阻尼件与所述第一halbach永磁阵列或所述第二halbach永磁阵列的另一者之间设置有一间隙；

所述第二电涡流阻尼件设置在所述第一halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列之间；所述第二电涡流阻尼件与所述第一halbach永磁阵列或所述第三halbach永磁阵列其中一者固定连接，所述第二电涡流阻尼件与所述第一halbach永磁阵列或所述第三halbach永磁阵列的另一者之间设置有一间隙。

进一步地，所述第一halbach永磁阵列、所述第二halbach永磁阵列、所述第三halbach永磁阵列、所述第一电涡流阻尼件以及所述第二电涡流阻尼件均为环形，其中所述第一halbach永磁阵列、所述第二halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列同轴地径向套设,所述第一halbach永磁阵列设置在所述第二halbach永磁阵列和第三halbach永磁阵列之间,所述第一电涡流阻尼件固定在第一halbach永磁阵列的内侧或者第二halbach永磁阵列的外侧，所述第一halbach永磁阵列和所述第二halbach永磁阵列可相对旋转；所述第二电涡流阻尼件固定在第一halbach永磁阵列的外侧或者第三halbach永磁阵列的内侧，所述第一halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列可相对旋转。

进一步地，所述第一halbach永磁阵列、所述第二halbach永磁阵列、所述第三halbach永磁阵列、所述第一电涡流阻尼以及所述第二电涡流阻尼件件均为环形，其中所述第一halbach永磁阵列、所述第二halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列同轴地轴向层叠设置,所述第一halbach永磁阵列设置在所述第二halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列之间,所述第一电涡流阻尼件固定在第一halbach永磁阵列上或者第二halbach永磁阵列上，所述第一halbach永磁阵列和所述第二halbach永磁阵列可相对旋转；所述第二电涡流阻尼件固定在第一halbach永磁阵列上或者第三halbach永磁阵列上，所述第一halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列可相对旋转。

进一步地，所述第一电涡流阻尼件和所述第二电涡流阻尼件均由金属制成的。

进一步地，所述电涡流阻尼件是由金属一体成型制成的；或者所述电涡流阻尼件是由多个并排设置的互相绝缘的金属条构成。

进一步地，所述第一电涡流阻尼件或者所述第二电涡流阻尼件是具有可变电阻的电涡流阻尼件。

进一步地，所述具有可变电阻的电涡流阻尼件具有环形的金属底部，金属底部上并排设置有多个互相绝缘的金属条。

进一步地，所述第一电涡流阻尼件或所述第二电涡流阻尼件上设置有滑动变阻器，所述滑动变阻器用于调节电涡流阻尼件的电阻；或者，所述第一电涡流阻尼件或所述第二电涡流阻尼件上设置有开关电路，所述开关电路用于调节电涡流阻尼件的电阻。

进一步地，所述第一halbach永磁阵列为定子，所述第二halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列为转子；所述定子与外部固定结构连接；或者，所述第一halbach永磁阵列为转子，所述第二halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列为定子；所述定子与外部固定结构连接。

进一步地，所述第一halbach永磁阵列和所述第二halbach永磁阵列之间、所述第一halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列之间的定位间隔均为360^o/N，其中定位点N为大于等于1的正整数。

本发明的有益效果如下：

1.本发明利用halbach永磁阵列面对面产生的磁场并充分利用中间halbach永磁阵列背面的漏磁现象(磁钢越薄，漏磁现象越严重)实现磁性弹簧，如此设计可节约中间halbach永磁阵列的磁钢材料；同时halbach永磁阵列面对面设置，中间气隙很小，因此用比较薄的磁极就能产生比普通定位弹簧更大的静态定位扭矩；

2.本发明采用电涡流阻尼件，能够增加定位弹簧的动态阻尼特性，使得定位弹簧在动作时得到缓冲，整个动作过程更为平缓，防止了动作过程过猛现象的出现。

3.本发明的电涡流阻尼件具有可变电阻，能够更精确地控制不同位置下的阻尼系数，定制出更精确的阻尼特性。

附图说明

图1为本发明基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧实施例1的结构示意图；

图2a、2b和2c分别为本发明中固定阻尼的电涡流阻尼件的不同实施例；

图3为本发明中可变阻尼的电涡流阻尼件的一种实施例；

图4为本发明基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧实施例2的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于图和以下实施例。

实施例1：

本发明提出的基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧的第一实施例如图1所示，可以设置为各组成部分套设形成的桶型弹簧。基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧1的组成部分包括环形的第一halbach永磁阵列2、环形的第二halbach永磁阵列3以及设置在第一halbach永磁阵列2和第二halbach永磁阵列3之间的第一环形电涡流阻尼件4a；该电涡流阻尼磁力弹簧还包括环形的第三halbach永磁阵列5以及设置在第一halbach永磁阵列2和第三halbach永磁阵列5之间的第二环形电涡流阻尼件4b。

第一halbach永磁阵列2为定子，与外部的固定结构连接；第二halbach永磁阵列3和第三halbach阵列5为转子，可与轴承或者其他支撑结构相连。第一halbach永磁阵列2、第二halbach永磁阵列3、第三halbach永磁阵列5同轴地径向并列设置，第一halbach永磁阵列2设置在第二halbach永磁阵列3和第三halbach永磁阵列5之间。第一电涡流阻尼件4a设置在第一halbach永磁阵列2的内侧，可以固定设置在该第一halbach永磁阵列2的内侧，也可以靠近该第一halbach永磁阵列2的内侧与其他结构(例如外部的固定结构)固定设置；且第一电涡流阻尼件4a与第二halbach永磁阵列3之间设置有一第一间隙，第一halbach永磁阵列2和第二halbach永磁阵列3可相对旋转。第二电涡流阻尼件4b设置在第一halbach永磁阵列2的外侧，可以固定设置在第一halbach永磁阵列2的外侧，也可以靠近第一halbach永磁阵列2的外侧与其他结构(例如外部的固定结构)固定设置；且第二电涡流阻尼件4b与第三halbach永磁阵列5之间设置有一第二间隙，第一halbach永磁阵列2和第三halbach永磁阵列5可相对旋转。

其中，第一halbach永磁阵列2与第二halbach永磁阵列3之间面对面设置(如图1所示)，第一halbach永磁阵列2与第二halbach永磁阵列3之间形成闭合磁力线；第一halbach永磁阵列2背面与第三halbach永磁阵列5之间形成闭合磁力线。或者，第一halbach永磁阵列2与第三halbach永磁阵列5之间面对面设置，第一halbach永磁阵列2与第三halbach永磁阵列5之间形成闭合磁力线；第一halbach永磁阵列2背面与第二halbach永磁阵列3之间形成闭合磁力线。因此，第二halbach永磁阵列3和第三halbach永磁阵列5尽量减少漏磁，而第一halbach永磁阵列2可以适当增加漏磁，从而与位于其背面的永磁阵列形成磁场。

第一电涡流阻尼件4a也可以设置在第二halbach永磁阵列3的外侧，且第一电涡流阻尼件4a与第一halbach永磁阵列2之间设置有一间隙。

第二电涡流阻尼件4b也可以设置在第三halbach永磁阵列5的内侧，且第二电涡流阻尼件4b与第一halbach永磁阵列2之间设置有一间隙。

优选地，第一间隙和第二间隙设置为0.2至0.5mm。

第一电涡流阻尼件4a和第二电涡流阻尼件4b可选择由导电性能良好的金属制成的，优选铜或者铝。

为了改变阻尼，可通过选择不同电阻率的金属来制作不同阻尼的电涡流阻尼件，电阻率较高的金属，阻尼较低；也可通过调节第一电涡流阻尼件4a和第二电涡流阻尼件4b的厚度来改变其电阻率。

另外，第一电涡流阻尼件4a和第二电涡流阻尼件4b可以是由金属一体成型制成的，也可以通过将整环细分成互相绝缘的细条。采用将整环细分成互相绝缘的细条的方式有助于降低涡流阻尼，细分度越大，阻尼越小，如图2a、图2b、图2c中的所示，电涡流阻尼件由互相绝缘的金属条构成。同等条件下，金属条构成的电涡流阻尼件的电阻率比一体成型的电涡流阻尼件的电阻率更小，所产生的阻尼也更小。

第一电涡流阻尼件4a和第二电涡流阻尼件4b除了可以为前述的固定阻尼的电涡流阻尼件，还可以是具有可变阻尼的电涡流阻尼件，或者其中一个电涡流阻尼件是具有可变阻尼的电涡流阻尼件。图3给出了一种可变阻尼的电涡流阻尼件的示意图，其中该电涡流阻尼件具有一环形的金属底部31，金属底部31上设置有互相绝缘的金属条32。实现该电涡流阻尼件的可变阻尼的方式可以为在金属条32上部设置滑动变阻器(图中未示出)，通过滑动变阻器的运动改变电涡流阻尼件的电阻，从而改变阻尼。如果电涡流阻尼件的每一相回路短路闭合，电涡流阻尼件的电阻为整环的电阻，成为电涡流阻尼磁力弹簧最大阻尼模式；当滑动变阻器在金属条上滑动，在不同位置下就会产生不同的回路电阻，从而产生可定制的阻尼特性。

另外，实现该电涡流阻尼件的阻尼特性还可以通过开关回路来实现，开关回路控制在不同角度下回路开/关的PWM占空比，从而控制回路闭合时间，进而控制阻尼扭矩，就可以实时控制电涡流阻尼件的阻尼特性。

第一电涡流阻尼件4a和第二电涡流阻尼件4b可以为相同类型的电涡流阻尼件，也可以为不同类型的电涡流阻尼件。

如图1所示，电涡流阻尼磁力弹簧1采用了一整环3对极的方案，即一整圈有3个定位点。除图1所示的方案之外，电涡流阻尼磁力弹簧可以根据旋转角度的需求，采用一整环N对极的方案，即一整圈设置N个定位点，所述第一halbach永磁阵列2和所述第二halbach永磁阵列3之间、所述第一halbach永磁阵列2和所述第三halbach永磁阵列5之间的定位间隔为360°/N，其中N为整数，N大于等于1。

图1中所示的是halbach永磁阵列的每对极中相邻小磁块的磁场方向以60°旋转(按照标准halbach永磁阵列设置，因此图中未示出各小磁块的方向)，实际上磁场方向可以180°/M旋转，M为每对极中小磁块的数量，M为大于1的正整数。当M＝2、3、4、5、6、……时，对应的磁场方向的旋转角度为90°、60°、45°、36°、30°、……。第一halbach永磁阵列中各小磁块的磁场方向、第二halbach永磁阵列中各小磁块的磁场方向和第三halbach永磁阵列中各小磁块的磁场方向一致。

实施例2：

如图4所示，本发明基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧还可以设置为各组成部分层叠设置形成的盘式弹簧。在本发明的第二实施例中，基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧11包括环形的第一halbach永磁阵列12、第二halbach永磁阵列13、第三halbach永磁阵列16以及第一电涡流阻尼件14a、第二电涡流阻尼件14b，其中第一halbach永磁阵列12、第二halbach永磁阵列13和第三halbach永磁阵列16同轴地轴向并列设置，第一halbach永磁阵列12设置在第二halbach永磁阵列13和第三halbach永磁阵列16之间。第一电涡流阻尼件14a和第二电涡流阻尼件14b分别固定在第一halbach永磁阵列12的两端上。第一电涡流阻尼件14a设置在第一halbach永磁阵列12与第二halbach永磁阵列13之间，且在第一电涡流阻尼件14a与第二halbach永磁阵列13之间设置有一间隙(未示出)，第一halbach永磁阵列12和第二halbach永磁阵列13可相对旋转。第二电涡流阻尼件14b设置在第一halbach永磁阵列12与第三halbach永磁阵列16之间，且在第二电涡流阻尼件14b与第三halbach永磁阵列16之间设置有一间隙(未示出)，第一halbach永磁阵列12和第三halbach永磁阵列16可相对旋转。

所述第一halbach永磁阵列、所述第二halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列的尺寸相同。

本实施例中与实施例1相同的内容在此不再赘述。

本发明基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧，由于采用电涡流阻尼件，能够增加定位弹簧的动态阻尼特性，使得定位弹簧在动作时得到缓冲，整个动作过程更为平缓，防止了动作过程过猛现象的出现。而同时，本发明的电涡流阻尼件可设置为带有可变电阻，能够更精确地控制不同位置下的阻尼系数，定制出更精确阻尼特性。本发明提供了可同时独立旋转的多个弹簧，可根据需求同时提供多个旋转方向或者角度。

本发明的上述实施例只给出了三个halbach永磁阵列和两个电涡流阻尼件的结构示例，本领域技术人员知晓，本发明还可以采用三个以上halbach永磁阵列，halbach永磁阵列为定子或转子，且定子和转子间隔设置；或者还可以采用一个或两个以上电涡流阻尼件，放置在两个halbach永磁阵列之间。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧,包括第一halbach永磁阵列和第二halbach永磁阵列,所述第一halbach永磁阵列和所述第二halbach永磁阵列可相对运动，其特征在于,所述电涡流阻尼磁力弹簧还包括第三halbach永磁阵列，所述第三halbach永磁阵列和第一halbach永磁阵列可相对运动，第三halbach永磁阵列位于第一halbach永磁阵列的远离第二halbach永磁阵列的一侧；

所述电涡流阻尼磁力弹簧还包括第一电涡流阻尼件和第二涡流阻尼件；

所述第一电涡流阻尼件设置在所述第一halbach永磁阵列和所述第二halbach永磁阵列之间；所述第一电涡流阻尼件与所述第一halbach永磁阵列或所述第二halbach永磁阵列其中一者固定连接，所述第一电涡流阻尼件与所述第一halbach永磁阵列或所述第二halbach永磁阵列的另一者之间设置有一间隙；

所述第二电涡流阻尼件设置在所述第一halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列之间；所述第二电涡流阻尼件与所述第一halbach永磁阵列或所述第三halbach永磁阵列其中一者固定连接，所述第二电涡流阻尼件与所述第一halbach永磁阵列或所述第三halbach永磁阵列的另一者之间设置有一间隙。

2.根据权利要求1所述的基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧，其特征在于：所述第一halbach永磁阵列、所述第二halbach永磁阵列、所述第三halbach永磁阵列、所述第一电涡流阻尼件以及所述第二电涡流阻尼件均为环形，其中所述第一halbach永磁阵列、所述第二halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列同轴地径向套设,所述第一halbach永磁阵列设置在所述第二halbach永磁阵列和第三halbach永磁阵列之间,所述第一电涡流阻尼件固定在第一halbach永磁阵列的内侧或者第二halbach永磁阵列的外侧，所述第一halbach永磁阵列和所述第二halbach永磁阵列可相对旋转；所述第二电涡流阻尼件固定在第一halbach永磁阵列的外侧或者第三halbach永磁阵列的内侧，所述第一halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列可相对旋转。

3.根据权利要求1所述的基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧，其特征在于：所述第一halbach永磁阵列、所述第二halbach永磁阵列、所述第三halbach永磁阵列、所述第一电涡流阻尼以及所述第二电涡流阻尼件件均为环形，其中所述第一halbach永磁阵列、所述第二halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列同轴地轴向层叠设置,所述第一halbach永磁阵列设置在所述第二halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列之间,所述第一电涡流阻尼件固定在第一halbach永磁阵列上或者第二halbach永磁阵列上，所述第一halbach永磁阵列和所述第二halbach永磁阵列可相对旋转；所述第二电涡流阻尼件固定在第一halbach永磁阵列上或者第三halbach永磁阵列上，所述第一halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列可相对旋转。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧，其特征在于：所述第一电涡流阻尼件和所述第二电涡流阻尼件均由金属制成的。

5.根据权利要求4所述的基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧，其特征在于：所述电涡流阻尼件是由金属一体成型制成的；或者所述电涡流阻尼件是由多个并排设置的互相绝缘的金属条构成。

6.根据权利要求4所述的基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧，其特征在于：所述第一电涡流阻尼件或者所述第二电涡流阻尼件是具有可变电阻的电涡流阻尼件。

7.根据权利要求6所述的基于halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧，其特征在于：所述具有可变电阻的电涡流阻尼件具有环形的金属底部，金属底部上并排设置有多个互相绝缘的金属条。

8.根据权利要求7所述的基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧，其特征在于：所述第一电涡流阻尼件或所述第二电涡流阻尼件上设置有滑动变阻器，所述滑动变阻器用于调节电涡流阻尼件的电阻；

或者，所述第一电涡流阻尼件或所述第二电涡流阻尼件上设置有开关电路，所述开关电路用于调节电涡流阻尼件的电阻。

9.根据权利要求1至3任一项所述的基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧，其特征在于：所述第一halbach永磁阵列为定子，所述第二halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列为转子；所述定子与外部固定结构连接；或者，

所述第一halbach永磁阵列为转子，所述第二halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列为定子；所述定子与外部固定结构连接。

10.根据权利要求2或3所述的基于多个halbach永磁阵列的电涡流阻尼磁力弹簧，其特征在于：所述第一halbach永磁阵列和所述第二halbach永磁阵列之间、所述第一halbach永磁阵列和所述第三halbach永磁阵列之间的定位间隔均为360°/N，其中定位点N为大于等于1的正整数。