CN109067252A - 一种磁性换向锁紧机构 - Google Patents
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Abstract
一种磁性换向锁紧机构，包括同轴的定子和转子，二者通过轴承联接；定子和转子具有同样数量的磁极对，且任意相邻的定子磁极和转子磁极的极性相反；转子可在定子中绕轴线旋转，带动转子的磁极对运动，使其接近或远离定子的磁极对；当转子的磁极对接近定子的磁极对时，磁极间的吸合力形成对转子转轴的扭矩，通过转子转轴向外传递实现锁紧作用；转子的磁极对可与相邻的不同定子磁极对贴合，实现不同方向的锁紧作用；由于磁极间的吸合力自发而持续地存在，该锁紧作用可在无外部驱动条件下长时间保持。本发明所述磁性换向锁紧机构能耗低，发热小，杜绝了传统机构的过热失效风险，且锁紧力可灵活调整，可各种阀门和机械手系统。
Description
技术领域
本发明属于机械设备自动化领域，涉及一种可以实现在多个位置保持锁紧的机构，特别适用于阀门系统的通断控制或选通控制，以及机械手的夹持或释放控制。
背景技术
阀门广泛应用于各种流体输送系统，用于实现对管内流动过程的控制，包括通断控制或换向控制等。特别在自动化的工业系统或仪器设备中，大量应用电磁阀，它由电磁铁驱动阀芯运动改变阀门状态，并在电磁铁释放后通过弹簧回位。以常用的常闭式电磁夹管阀为例，在断电时阀门由弹簧推动阀芯挤压软管，提供一定的夹紧力；在上电时则由电磁铁带动阀芯释放，使软管内流体能够自由流动。
此类电磁阀原理成熟，应用广泛。但电磁阀必然存在多个工作状态(如通断阀的“通”和“断”状态)，相应地阀芯必然将处于不同的位置；当其中一个位置由机械装置维持时(如弹簧力锁紧)，另外的位置往往就需要由电磁铁持续工作来维持，因此普遍存在能耗高、发热大和可靠性低等问题。仍以上述常闭式通电磁夹管阀为例，当阀门打开时需要向电磁铁施加足够的电流以使其足以克服弹簧弹力，而且在连续工作状态下，需要持续向电磁铁供电以维持阀门打开，因此将消耗较大的电能；而由于在连续工作状态下电磁铁并不做功，所消耗的电能都将直接转化为热能，导致器件发热；若耗散的热量不能被及时排出，器件过热则会对系统的安全产生重要影响，特别在长时间连续工作情况下存在失效风险。以血液治疗为例，血液透析或CRRT设备都会应用一定数量的常闭式电磁夹管阀，在长达数小时甚至数十小时的治疗过程中为维持阀门打开会消耗大量的电能，散发大量的热量，并且产生不可忽视的设备可靠性隐患。现有的一些比较先进的电磁阀系统通常还会配套复杂的驱动控制系统，如ACRO的VERSAGRIP电磁夹管阀通常配套专用驱动板使用，通过PWM方式向阀体供电。驱动控制系统的应用可以在一定程度上减小发热提高可靠性，但并没有从原理上克服问题，而且增加了系统的复杂性和使用成本。
此外，在机器人领域也通常会有机械手对工件的夹持和释放功能的需求，其面临的情况与阀门有很大的相似性，也迫切需要更可靠的、低能耗的换向锁紧机构。
发明内容
本发明的目的是提供一种换向锁紧机构，可通过自发的作用力在多个位置状态下锁紧，仅在换向切换过程中需要能量驱动，从而减小阀门或机械手工作中的能量消耗，并杜绝器件过热及相应的系统失效风险。
为实现上述目的，本发明提供如下解决方案：一种磁性换向锁紧机构，包括同轴的定子和转子，二者通过轴承联接；定子和转子具有同样数量的磁极对，且任意相邻的定子磁极和转子磁极的极性相反；转子可绕轴线旋转，带动转子的磁极对运动，使其接近或远离定子的磁极对；当转子的磁极对接近定子的磁极对时，磁极间的吸力形成对转子转轴的锁紧扭矩，使转子的磁极趋向于与定子的磁极贴合；该锁紧扭矩通过转子转轴向外部对象传递，实现夹紧或固定作用；由于转子的磁极和定子的磁极间的吸合力自发而持续地存在，该夹紧或固定作用可在无外部驱动条件下长时间保持。
所述定子或转子的磁极对的数量大于1个，沿截面周线均匀分布；转子的磁极对可与相邻的不同定子磁极对贴合，实现多个位置的锁紧作用。
所述转子在定子内的旋转运动可由电机或气缸驱动，实现锁紧状态的自动切换。
所述定子或转子的磁极对的磁极为永磁体，材料为烧结钕铁硼；磁极对可由永磁材料整体成型后充磁形成，也可由非磁性材料加工成型后镶嵌永磁体形成。
所述定子或转子的磁极对的截面形状为扇形，两侧半径所在轴向平面分别为极性相反的磁极；转子的磁极对处于定子的磁极对之间的扇形空腔内，且扇形空腔的角弧度大于转子磁极对的角弧度，使得转子可在一定范围内旋转。
所述转子向外传递的锁紧扭矩可计为T＝k×N×M×r，其中N为定子或转子的磁极对数量，M为每个磁极的质量，r为磁极质心与转子轴心间的距离，k为比例系数；通过改变N、M和r可灵活调整输出的锁紧扭矩大小。
本发明的有益技术效果是：
(1)本发明的磁性换向锁紧机构通过磁极之间自发的吸合力产生扭矩并保持锁紧状态，无需外部动力驱动，系统能耗低，并杜绝了传统电磁式夹管阀的发热问题；
(2)本发明的磁性换向锁紧机构的锁紧力可灵活调整，广泛适用于各种场合；
(3)本发明的磁性换向锁紧机构的体积紧凑，空间有效利用率高。
附图说明
图1是本发明机构作用原理示意图
图2是实施例1的结构爆炸示意图
图3是实施例1的第一状态(释放状态)示意图
图4是实施例1的第二状态(夹紧状态)示意图
图中，1为定子，2为转子，3为轴承，11为定子的第一磁极对，12为定子的第二磁极对，21为转子的第一磁极对，22为转子的第二磁极对，23为转子的转轴。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1，一种通断式夹管阀，参见图2-4，包括定子1、转子2和轴承3；其中定子1和转子2各有两个磁极对，且磁极对均为扇形，沿周线均匀分布。
所述通断式夹管阀包括第一状态(图3)和第二状态(图4)，其中第一状态为释放状态，第二状态为夹紧状态；
在第一状态下，转子2的第一磁极对21中的N极与定子1的第一磁极对11中的S极贴合，且转子2的第二磁极对22中的N极与定子1的第二磁极对12中的S极贴合；两对贴合面间的吸合力产生相对转子转轴23的逆时针扭矩，维持夹管阀处于释放状态。
在第二状态下，转子2的第一磁极对21中的S极与定子1的第二磁极对12中的N极贴合，且转子2的第二磁极对22中的S极与定子1的第一磁极对11中的N极贴合；两对贴合面间的吸合力产生相对转子转轴23的顺时针扭矩，维持夹管阀处于夹紧状态。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (6)
1.一种磁性换向锁紧机构，其特征在于：所述磁性换向锁紧机构包括同轴的定子和转子，二者通过轴承联接；定子和转子具有同样数量的磁极对，且任意相邻的定子磁极和转子磁极的极性相反；转子可绕轴线旋转，带动转子的磁极对运动，使其接近或远离定子的磁极对；当转子的磁极对接近定子的磁极对时，磁极间的吸力形成对转子转轴的锁紧扭矩，使转子的磁极趋向于与定子的磁极贴合；该锁紧扭矩通过转子转轴向外部对象传递，实现夹紧或固定作用；由于转子的磁极和定子的磁极间的吸合力自发而持续地存在，该夹紧或固定作用可在无外部驱动条件下长时间保持。
2.根据权利要求1所述磁性换向锁紧机构，其特征在于：所述定子或转子的磁极对的数量大于1个，沿截面周线均匀分布；转子的磁极对可与相邻的不同定子磁极对贴合，实现多个位置的锁紧作用。
3.根据权利要求1所述磁性换向锁紧机构，其特征在于：所述转子在定子内的旋转运动可由电机或气缸驱动，实现锁紧状态的自动切换。
4.根据权利要求1所述磁性换向锁紧机构，其特征在于：所述定子或转子的磁极对的磁极为永磁体，材料为烧结钕铁硼；磁极对可由永磁材料整体成型后充磁形成，也可由非磁性材料加工成型后镶嵌永磁体形成。
5.根据权利要求1所述磁性换向锁紧机构，其特征在于：所述定子或转子的磁极对的截面形状为扇形，两侧半径所在轴向平面分别为极性相反的磁极；转子的磁极对处于定子的磁极对之间的扇形空腔内，且扇形空腔的角弧度大于转子磁极对的角弧度，使得转子可在一定范围内旋转。
6.根据权利要求1和5所述磁性换向锁紧机构，其特征在于：所述转子向外传递的锁紧扭矩可计为T＝k×N×M×r，其中T为锁紧扭矩，N为定子或转子的磁极对数量，M为每个磁极的质量，r为磁极质心与转子轴心间的距离，k为比例系数；通过改变N、M和r可灵活调整输出的锁紧扭矩大小。
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