CN107896047B - 单绕组混合励磁磁力丝杠 - Google Patents
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Abstract
单绕组混合励磁磁力丝杠，属于机电传动领域。解决了现有混合磁路磁力丝杠推力密度低，结构复杂，励磁绕组利用率低的问题。本发明包括磁螺母和磁螺杆，二者上均设有螺旋形的永磁体，还包括环形励磁绕组；磁螺母同轴套在磁螺杆外部，二者之间留有气隙；环形励磁绕组固定在磁螺母或磁螺杆上，用于调节气隙的耦合磁场，从而调节作用在磁螺母和磁螺杆上的推力，最终完成直线运动和旋转运动的相互转化。本发明主要用于机电传动上。
Description
技术领域
本发明涉及一种单绕组混合励磁磁力丝杠，属于机电传动领域。
背景技术
永磁式磁力丝杠通过磁场耦合，能够实现直线运动和旋转运动的相互转化，具有推力密度大、可靠性高、过载保护等优点，在航空航天、海洋发电、人工心脏等领域具有广阔的应用前景。永磁式磁力丝杠的螺母和螺杆上均采用永磁体作为励磁源，气隙磁场难以调节，推力只与螺母和螺杆间的相对位置有关系。当负载发生变化时，螺母和螺杆间的相对位置也将发生变化，这将导致系统的速度发生波动，限制了磁力丝杠在高精度直线运动领域的应用。
文献IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETISC,50(11):8205004,2014(Electromagnetic lead screw for potential wave energy application)提出了一种电磁式磁力丝杠，其螺杆上开有双线螺旋凹槽，在槽里分别放置螺旋绕组，通以直流电进行励磁。虽然这种结构的气隙磁场能够得到调节，但由于电励磁所产生的磁通较少，其推力密度只相当于永磁式磁力丝杠的四分之一。
文献IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETISC,53(11):8203904,2017(Design andAnalysis of a New HTS Electromagnetic Screw)提出了一种基于高温超导线圈的电磁式磁力丝杠，其将螺杆上的普通螺旋线圈换为高温超导螺旋线圈，并安装冷却系统。这种结构也能够调节磁力丝杠的气隙磁场，和采用普通螺旋线圈的电磁式磁力丝杠相比，其推力密度有较大提高，但仍然不及永磁式磁力丝杠的推力密度，而且由于高温超导线圈以及冷却系统的安装，系统的成本和复杂度大大提高。
中国专利CN103986305A提出了一种基于径向-轴径向磁通的永磁-感应子式混合磁路磁力丝杠，通过两个环形励磁绕组和高度不同的螺旋凸极，对气隙磁场进行调节，这种结构在具有磁场调节能力的同时还保持了较高的推力密度。但为了保持电励磁磁路的完整性，励磁绕组需要安装在导磁的励磁支架上，而且螺母的轴向长度要增加许多，另外电励磁磁通的路径上附加的气隙大大增加了磁路的磁阻，电励磁磁通的利用率降低了许多。
中国专利CN101758631A提出了一种电磁丝杠，螺母内侧安装有环形绕组和环形永磁体。通过控制绕组电流的方向、频率和相位对丝杆的压力和速度进行控制，永磁体用于在断电时对丝杠残生锁定力。这种结构因为只采用绕组进行有效励磁，电磁丝杠的推力密度远小于永磁式磁力丝杠，而且环形永磁体对推力的贡献很小。
综上，亟需提供一种解决上述混合磁路磁力丝杠推力密度低，结构复杂，励磁绕组利用率低的问题的新型磁力丝杠。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有混合磁路磁力丝杠推力密度低，结构复杂，励磁绕组利用率低的问题，提供了一种单绕组混合励磁磁力丝杠。
单绕组混合励磁磁力丝杠，它包括磁螺母和磁螺杆，二者上均设有螺旋形的永磁体，还包括环形励磁绕组；
磁螺母同轴套在磁螺杆外部，二者之间留有气隙；
环形励磁绕组固定在磁螺母或磁螺杆上，用于调节气隙的耦合磁场，从而调节作用在磁螺母和磁螺杆上的推力，最终完成直线运动和旋转运动的相互转化。
(一)当环形励磁绕组固定在磁螺杆上时；
优选的是，所述磁螺杆包括4个螺杆螺旋永磁体、主轴和螺杆电工铁环；
螺杆电工铁环套在主轴上，并与主轴固定连接，螺杆电工铁环侧壁上开设有一圈周向凹槽，该周向凹槽用来放置环形励磁绕组；
周向凹槽左、右两侧的螺杆电工铁环的侧壁上开有螺旋凹槽；
其中，
两个螺杆螺旋永磁体，并列缠绕在周向凹槽一侧的螺旋凹槽内，
剩余两个螺杆螺旋永磁体，并列缠绕在周向凹槽另一侧的螺旋凹槽内，
4个螺杆螺旋永磁体均径向充磁，同侧两个螺杆螺旋永磁体极性相反；
磁螺母内侧壁上并列缠绕的两个螺母螺旋永磁体均沿径向充磁，且二者充磁方向相反。
优选的是，紧邻周向凹槽的两个螺杆螺旋永磁体极性相反。
优选的是，所述螺旋凹槽上相邻螺旋凸极的高度不同。
优选的是，所述周向凹槽的宽度为l0，且该周向凹槽左、右两侧的螺旋部分的轴向长度相等，长度均为l；
令周向凹槽左、右两侧螺旋起点沿周向的角度差为θ；且满足
其中，n＝0,1,2,3......，τ表示螺旋凹槽的螺距。
(二)当环形励磁绕组安装在磁螺母上时；
优选的是，所述磁螺杆包括主轴、两个螺杆螺旋永磁体和螺杆电工铁环；
螺杆电工铁环套在主轴上，并与主轴固定连接，
两个螺杆螺旋永磁体并列缠绕在螺杆电工铁环外侧壁上，二者均沿径向充磁，且充磁方向相反；
磁螺母包括螺母电工铁环、4个螺母螺旋永磁体；
螺母电工铁环内侧壁周向上开有环形凹槽，该环形凹槽用于放置环形励磁绕组；
环形凹槽左、右两侧的螺母电工铁环的侧壁上开有螺旋凹槽；
其中，
两个螺母螺旋永磁体并列缠绕在位于环形凹槽一侧的螺旋凹槽内；
剩余两个螺母螺旋永磁体并列缠绕在位于环形凹槽另一侧的螺旋凹槽内；
4个螺母螺旋永磁体均径向充磁，同侧两个螺杆螺旋永磁体极性相反。
优选的是，所述紧邻环形凹槽的两个螺母螺旋永磁体的极性相反。
优选的是，所述螺旋凹槽上相邻螺旋凸极的高度不同。
优选的是，所述环形凹槽的宽度为l0，且环形凹槽左、右两侧的螺旋部分的轴向长度相等，长度均为l；
令环形凹槽左、右两侧螺旋起点沿周向的角度差为θ；且满足
其中，n＝0,1,2,3......，τ表示螺旋凹槽的螺距。
优选的是，所述所有螺旋永磁体和螺旋凹槽的旋向相同，螺旋凹槽的螺距相同，且同一部件上相邻的螺旋永磁体以及螺旋凹槽的螺旋起点相差180°电角度。
本发明中，所有螺旋永磁体均采用烧结钕铁硼制作。
本发明所述单绕组混合励磁磁力丝杠，它包括磁螺母和磁螺杆两部分，磁螺母同轴套在磁螺杆外部，两部分之间留有气隙。环形励磁绕组既可以安装在磁螺杆上，环形励磁绕组安装在磁螺杆或磁螺母的中部，可通过两侧高低不等的螺纹突起在气隙中感应出含有交流分量的气隙磁密，进而调节推力特性。
本发明带来的有益效果是，使磁力丝杠具有了磁场调节能力的同时，还能保持较高的推力密度，与现有结构相比，电励磁绕组所需数量减半，且磁势利用率提高将近50％，系统结构简单紧凑，系统结构简单紧凑，成本也更低。
附图说明
图1为环形励磁绕组300安装在磁螺杆200上时，单绕组混合励磁磁力丝杠的磁螺母1的部分剖视图；
图2为环形励磁绕组300安装在磁螺杆200上时，磁螺母100的轴向剖视图；
图3为环形励磁绕组300安装在磁螺杆200上时，磁螺杆200的轴向剖视图；
图4为环形励磁绕组300安装在磁螺杆200上时，磁螺杆电工铁环的尺寸示意图；
图5为实施方式一至四之一中，所述单绕组混合励磁磁力丝杠的主磁通示意图；
图6是环形励磁绕组300固定在磁螺母100上时，单绕组混合励磁磁力丝杠的磁螺母1的部分剖视图；
图7是环形励磁绕组300固定在磁螺母100上时，磁螺母100的轴向剖视图；
图8是环形励磁绕组300固定在磁螺母100上时，磁螺杆200上的轴向剖视图；
图9是环形励磁绕组300固定在磁螺母100上时，螺母电工铁环115的尺寸示意图；
图10是实施方式五至八之一中，所述单绕组混合励磁磁力丝杠的主磁通示意图；
图11为环形励磁绕组300在零电流和正、负励磁电流三种情况下，所述单绕组混合励磁磁力丝杠的推力-位移曲线图。
具体实施方式
本发明所述单绕组混合励磁磁力丝杠，它包括磁螺母100、磁螺杆200和环形励磁绕组300，磁螺母100同轴套在磁螺杆200外部，二者之间留有气隙。环形励磁绕组300既可以安装在磁螺杆200上，也可以安装在磁螺母100上。其中，环形励磁绕组300固定在磁螺母100或磁螺杆200上，用于调节气隙的耦合磁场，从而调节作用在磁螺母100和磁螺杆200上的推力，完成直线运动和旋转运动的相互转化，其中，直线运动和旋转运动的相互转化具体表现为：
磁螺母100旋转运动时，转化为螺杆200沿其轴线方向的直线运动；
磁螺杆200旋转运动时，转化为磁螺母100沿其轴线方向的直线运动；
磁螺母100沿其轴线方向的直线运动，转化为螺杆200绕其轴线的旋转运动；
磁螺杆200沿其轴线方向的直线运动，转化为磁螺母100绕其轴线的旋转运动；
磁螺母100静止时，磁螺杆200绕其轴线的旋转运动会使其同时沿轴线方向做直线运动，最终磁螺杆200表现为螺旋运动。
磁螺杆200静止时，磁螺母100绕其轴线的旋转运动会使其同时沿轴线方向做直线运动，最终磁螺母100表现为螺旋运动。
磁螺母100静止时，磁螺杆200沿其轴线方向的直线运动会使其同时绕其轴线做旋转运动，最终磁螺杆200表现为螺旋运动。
磁螺杆200静止时，磁螺母100沿其轴线方向的直线运动会使其同时绕轴线做旋转运动，最终磁螺母100表现为螺旋运动。
根据环形励磁绕组300的安装位置，本发明可以细分为两种结构。
(一)结构一：环形励磁绕组300安装在磁螺杆200上；具体参见实施方式一至实施方式四，具体如下：
具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述单绕组混合励磁磁力丝杠中，
所述磁螺杆200包括第一螺杆螺旋永磁体201、第二螺杆螺旋永磁体202、第三螺杆螺旋永磁体203、第四螺杆螺旋永磁体204、第一主轴205和第一螺杆电工铁环206；
第一螺杆电工铁环206套在第一主轴205上，并与第一主轴205固定连接，第一螺杆电工铁环206侧壁开设有一圈周向凹槽207，该周向凹槽207用来放置环形励磁绕组300；
周向凹槽207左、右两侧的第一螺杆电工铁环206的侧壁上开有螺旋凹槽208；
第一螺杆螺旋永磁体201和第二螺杆螺旋永磁体202并列缠绕在第一螺杆电工铁环206一端侧壁的螺旋凹槽208内；
第三螺杆螺旋永磁体203和第四螺杆螺旋永磁体204并列缠绕在第一螺杆电工铁环206另一端侧壁的螺旋凹槽208内；
4个螺杆螺旋永磁体均径向充磁，同侧两个螺杆螺旋永磁体极性相反；
磁螺母100内侧壁上并列缠绕的第一螺母螺旋永磁体101和第二螺母螺旋永磁体102均沿径向充磁，且二者充磁方向相反。
本实施方式中，由于环形励磁绕组300安装在磁螺杆200上，为避免安装电刷和滑环，磁螺杆200不应该作旋转运动，磁螺母100和磁螺杆200存在两种运动方式，其一：磁螺母100绕磁螺杆200自转，同时驱动磁螺杆200沿轴向作直线运动；其二：磁螺杆200静止，磁螺母100沿轴向作螺旋运动。
具体实施方式二：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的单绕组混合励磁磁力丝杠的区别在于，所述第二螺杆螺旋永磁体202和第三螺杆螺旋永磁体203的极性相反。
具体实施方式三：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的单绕组混合励磁磁力丝杠的区别在于，所述螺旋凹槽208上相邻螺旋凸极209的高度不同。
具体实施方式四：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二或三所述的单绕组混合励磁磁力丝杠的区别在于，所述周向凹槽207的宽度为l0，且该周向凹槽207左、右两侧的螺旋部分的轴向长度相等，长度均为l；
令周向凹槽207左、右两侧螺旋起点沿周向的角度差为θ；且满足
其中，n＝0,1,2,3......，τ表示螺旋凹槽208的螺距。
工作原理：在此实施方式一至四下，所述单绕组混合励磁磁力丝杠的主磁通示意图如图5所示。
磁螺杆200和磁螺母100上的永磁体主磁通经过气隙完成闭合，环形励磁绕组300通电后产生的磁通依次经过螺旋凸极209、气隙、永磁体、电工铁环完成闭合。环形励磁绕组300产生的磁通在气隙中感应出含有交变分量的气隙磁密，通过改变励磁电流的大小可以调节气隙磁密，进而调节推力特性。
(二)结构二：环形励磁绕组300安装在磁螺母100上；具体参见实施方式五至实施方式八，具体如下：
具体实施方式五：参见图6至图10说明本实施方式，本实施方式本实施方式所述单绕组混合励磁磁力丝杠中，
所述磁螺杆200包括1号主轴213、1号螺杆螺旋永磁体211、2号螺杆螺旋永磁体212和1号螺杆电工铁环214；
1号螺杆电工铁环214套在1号主轴213上，并与1号主轴213固定连接，
1号螺杆螺旋永磁体211和2号螺杆螺旋永磁体212并列缠绕在1号螺杆电工铁环214外侧壁上，二者均沿径向充磁，且充磁方向相反；
磁螺母100包括螺母电工铁环115、1号螺母螺旋永磁体111、2号螺母螺旋永磁体112、3号螺母螺旋永磁体113、4号螺母螺旋永磁体114；
螺母电工铁环115内侧壁周向上开有环形凹槽115-1，该环形凹槽115-1用于放置环形励磁绕组300；环形凹槽115-1左、右两侧的螺母电工铁环115的侧壁上开有螺旋凹槽116；
1号螺母螺旋永磁体111和2号螺母螺旋永磁体112并列缠绕在位于环形凹槽115-1一侧的螺旋凹槽116内；
3号螺母螺旋永磁体113和4号螺母螺旋永磁体114并列缠绕在位于环形凹槽115-1另一侧的螺旋凹槽116内；
4个螺母螺旋永磁体113均径向充磁，同侧两个螺杆螺旋永磁体极性相反。
具体实施方式六：参见图6至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五所述的单绕组混合励磁磁力丝杠的区别在于，所述2号螺母螺旋永磁体112和3号螺母螺旋永磁体113的极性相反。
具体实施方式七：参见图6至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五所述的单绕组混合励磁磁力丝杠的区别在于，所述螺旋凹槽116上相邻螺旋凸极117的高度不同。
环形励磁绕组300所在部件上相邻的螺旋凸起高度不同，螺旋凸起最高可与螺旋永磁体平齐，最低可与螺旋凹槽平齐(即高度为0)，相邻的螺旋凹槽轴向宽度相等。
具体实施方式八：参见图6至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五至七之一所述的单绕组混合励磁磁力丝杠的区别在于，
所述环形凹槽115-1的宽度为l0，且环形凹槽115-1左、右两侧的螺旋部分的轴向长度相等，长度均为l；
令环形凹槽115-1左、右两侧螺旋起点沿周向的角度差为θ；且满足
其中，n＝0,1,2,3......，τ表示螺旋凹槽的螺距。
工作原理：在此实施方式五至八下，所述单绕组混合励磁磁力丝杠的主磁通示意图如图10所示。
磁螺杆200和磁螺母100上的永磁体主磁通经过气隙完成闭合，环形励磁绕组300通电后产生的磁通依次经过螺旋凸极117、气隙、永磁体、电工铁环完成闭合。环形励磁绕组300产生的磁通在气隙中感应出含有交变分量的气隙磁密，通过改变励磁电流的大小可以调节气隙磁密，进而调节推力特性。
环形励磁绕组300在零励磁电流和正、负励磁电流三种情况下，所述单绕组混合励磁磁力丝杠的推力-位移曲线如图11所示。由图11可知，励磁电流可以对磁力丝杠的推力-位移特性进行上下调节，使得磁力丝杠的动态特性得到提高。
本发明所述单绕组混合励磁磁力丝杠的结构不局限于上述各实施方式所记载的具体结构，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。
Claims (9)
1.单绕组混合励磁磁力丝杠，它包括磁螺母(100)和磁螺杆(200)，二者上均设有螺旋形的永磁体，其特征在于，还包括环形励磁绕组(300)；
磁螺母(100)同轴套在磁螺杆(200)外部，二者之间留有气隙；
环形励磁绕组(300)固定在磁螺母(100)或磁螺杆(200)上，用于调节气隙的耦合磁场，从而调节作用在磁螺母(100)和磁螺杆(200)上的推力，最终完成直线运动和旋转运动的相互转化；
所述磁螺杆(200)包括4个螺杆螺旋永磁体、主轴和螺杆电工铁环；
螺杆电工铁环套在主轴上，并与主轴固定连接，螺杆电工铁环侧壁上开设有一圈周向凹槽(207)，该周向凹槽(207)用来放置环形励磁绕组(300)；
周向凹槽(207)左、右两侧的螺杆电工铁环的侧壁上开有螺旋凹槽；
其中，
两个螺杆螺旋永磁体，并列缠绕在周向凹槽(207)一侧的螺旋凹槽内，
剩余两个螺杆螺旋永磁体，并列缠绕在周向凹槽(207)另一侧的螺旋凹槽内，
4个螺杆螺旋永磁体均径向充磁，同侧两个螺杆螺旋永磁体极性相反；
磁螺母(100)内侧壁上并列缠绕的两个螺母螺旋永磁体均沿径向充磁，且二者充磁方向相反。
2.根据权利要求1所述的单绕组混合励磁磁力丝杠，其特征在于，紧邻周向凹槽(207)的两个螺杆螺旋永磁体极性相反。
3.根据权利要求1所述的单绕组混合励磁磁力丝杠，其特征在于，所述螺旋凹槽上相邻螺旋凸极的高度不同。
4.根据权利要求1、2或3所述的单绕组混合励磁磁力丝杠，其特征在于，所述周向凹槽(207)的宽度为l0，且该周向凹槽(207)左、右两侧的螺旋部分的轴向长度相等，长度均为l；
令周向凹槽(207)左、右两侧螺旋起点沿周向的角度差为θ；且满足
其中，n＝0,1,2,3......，τ表示螺旋凹槽的螺距。
5.单绕组混合励磁磁力丝杠，它包括磁螺母(100)和磁螺杆(200)，二者上均设有螺旋形的永磁体，其特征在于，还包括环形励磁绕组(300)；
磁螺母(100)同轴套在磁螺杆(200)外部，二者之间留有气隙；
环形励磁绕组(300)固定在磁螺母(100)或磁螺杆(200)上，用于调节气隙的耦合磁场，从而调节作用在磁螺母(100)和磁螺杆(200)上的推力，最终完成直线运动和旋转运动的相互转化；
所述磁螺杆(200)包括主轴、两个螺杆螺旋永磁体和螺杆电工铁环；
螺杆电工铁环套在主轴上，并与主轴固定连接，
两个螺杆螺旋永磁体并列缠绕在螺杆电工铁环外侧壁上，二者均沿径向充磁，且充磁方向相反；
磁螺母(100)包括螺母电工铁环(115)、4个螺母螺旋永磁体；
螺母电工铁环(115)内侧壁周向上开有环形凹槽(115-1)，该环形凹槽(115-1)用于放置环形励磁绕组(300)；
环形凹槽(115-1)左、右两侧的螺母电工铁环(115)的侧壁上开有螺旋凹槽；
其中，
两个螺母螺旋永磁体并列缠绕在位于环形凹槽(115-1)一侧的螺旋凹槽内；
剩余两个螺母螺旋永磁体并列缠绕在位于环形凹槽(115-1)另一侧的螺旋凹槽内；
4个螺母螺旋永磁体均径向充磁，同侧两个螺母螺旋永磁体极性相反。
6.根据权利要求5所述的单绕组混合励磁磁力丝杠，其特征在于，紧邻所述环形凹槽(115-1)的两个螺母螺旋永磁体的极性相反。
7.根据权利要求5所述的单绕组混合励磁磁力丝杠，其特征在于，所述螺旋凹槽上相邻螺旋凸极的高度不同。
8.根据权利要求5所述的单绕组混合励磁磁力丝杠，其特征在于，所述环形凹槽(115-1)的宽度为l0，且环形凹槽(115-1)左、右两侧的螺旋部分的轴向长度相等，长度均为l；
令环形凹槽(115-1)左、右两侧螺旋起点沿周向的角度差为θ；且满足
其中，n＝0,1,2,3......，τ表示螺旋凹槽的螺距。
9.根据权利要求1或5所述的单绕组混合励磁磁力丝杠，其特征在于，所有所述螺旋永磁体和螺旋凹槽的旋向相同，螺旋凹槽的螺距相同，且同一部件上相邻的螺旋永磁体以及螺旋凹槽的螺旋起点相差180°电角度。
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