CN109639087B - 一种永磁电磁结合的驱动机构 - Google Patents

Abstract

一种永磁电磁结合的驱动机构，为机电类设备的一种运动机构。这个机构的最大特点是，作为一种连续往复运动不是过去所采用的电磁或电磁永磁结合的运动。它的特点是其机械的连续运动的输出，是一部分动作由永磁铁3的磁力作用来完成，一部分动作由线圈7和铁芯6产生的电磁力作用来完成。使得输出轴10在电磁力和永磁力的作用下完成连续的转动。如将多个这样的机构的输出轴10同轴连接，且让多个曲柄9之间设置成具有一定的角度差，会使得输出轴10输出很大的转动力矩和转动的平稳性。作为往复运动单元围绕输出轴10的周围布置有较大的空间选择。

Description

一种永磁电磁结合的驱动机构

技术领域

本发明属于电力驱动技术领域，特别是涉及一种永磁电磁结合的驱动机构。

背景技术

电动驱动机构在工业发展的历史上起到了不可代替的作用。正因为如此，人们在这方面做了大量的工作，根据需要设计出各种各样的电动机构。比如电动机和电磁驱动机构等来实现所需的动作，满足工厂和工程上的需要。它们的共同特点是靠电磁力将电能转化为机械能。随着永磁技术的不断几步，其应用也十分广泛，也被应用于电动机和和电磁驱动机构的技术领域。如永磁电机和高压断路器的合闸机构都用到了永磁材料构成的零部件。

常用的永磁材料主要包括铝镍钴永磁、铁氧体永磁、钐钴永磁和钕铁永磁等材料。其中钐钴永磁材料的综合应用性能相对好一些。化学成分为Cm2Co17钐钴永磁，它的最大磁能级超过258.6kJ/m³,去磁曲线基本上是一条直线，与回复直线基本上重合。并且居里温度高达710~880℃，兼有高剩磁高矫顽力的特点。它不仅适用于静态条件应用，也适合于动态条件应用。

发明内容

本发明的目的是：用永磁铁和电磁铁作为相互切换的动力源驱动机构实现一个往复动作，从而带动所设计的机构实现与电动机同样的转动动力输出。它的优点是，所设置的动力输出与转动输出的距离可以设置的比较远和可伸缩性，且动力可以分布式设置。

如图4所示，为永磁电磁结合的驱动机构的模型图，它主要由永磁铁、套筒、铁芯和线圈构成。铁芯的两端是包裹套筒两端相互连接的。套筒为低相对磁导率的材料制成，如黄铜。

在磁的技术领域有一个磁阻最小原理，它的表述是这样的：磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。所述的永磁铁、套筒的壁、铁芯和空气间隙构成了一个闭合的磁阻回路，而且在铁芯的左端和永磁铁左端之间的空气间隙的距离最小时才符合磁阻最小原理。

对于永磁铁左端和铁芯左端面之间有一端距离，铁芯的左端还没有环抱永磁体的左端 ，二者的相互吸引力主要体现在永磁铁延套筒左向滑动。对于永磁铁的右端和铁芯的右端而言，铁芯的右端是环抱套筒和永磁铁右端的，两者之间的作用力主要体现在永磁铁的径向方向，这些径向力在其对称方向上将基本上相互抵消，以至于永磁铁的柱面与套筒内壁之间的摩檫力很小。这时，永磁铁左端和铁芯左端面之间的相互吸引使得永磁铁延套筒内向左滑动。直到永磁铁的左端和右端与铁芯的左端和右端相对应的状态相同，永磁铁停止移动。但如果对永磁铁的运动加以限制，使永磁铁左端与铁芯左端之间的吸力总是主要体现于永磁铁的轴向，而使永磁铁右端与铁芯右端之间的吸力主要体现于永磁铁的径向上。给线圈通电使铁芯产生一个与永磁铁磁场方向相反的磁场，这时永磁铁左端与铁芯左端之间将产生斥力，使得永磁铁在套管中向右滑动。如果控制好线圈通电和断电的时间，就可以实现永磁铁在套筒内的往复运动。

实现永磁铁右端径向力均匀分布靠的是低相对磁导率的材料制成的套筒，如黄铜。如果套筒是由高相对磁导率材料制成的，那么永磁铁右端柱面与套筒的内柱面吸合的部分之间相当于没有低导磁率的材料相隔离。而由于配合间隙的关系，永磁铁右端柱面没有和套筒接触的部分相当于隔有低相对磁导率的空气。也就是说永磁铁右端柱面和套筒右端内柱面之间，接触的部分和没有接触的部分之间的吸力之差非常大，永磁铁右端柱面所受的径向力是不会抵消的。因而永磁铁要想在套筒内左右滑动，其摩擦阻力是非常大的。如果用低相对磁导率的黄铜做套管，就相当于在永磁铁右端的柱面与铁芯右端之间加设了一层均匀的低磁导率的介质，因为黄铜的相对磁导率与空气的相对磁导率近乎相等。即使套管的壁厚和有配合间隙的存在，其影响按百分比来计算是很小的，铁芯右端对永磁铁右端柱面的径向吸力分布将是均匀的，基本上可以对称抵消。对永磁铁在套筒内的左右运动的影响就会变小。

图4中的01为永磁铁、02为套筒、03为铁芯、04为线圈。

如图5和图6所示，为一种永磁电磁结合的动力输出机构的试验机组装示意图，所制成的试验机实现了圆盘连续的转动运动，即实现了圆盘中心的轴的连续转动。

其中的底座、触点支架、圆盘、导向筒支架、圆盘支架和U形板为钢板制作；连杆、推拉杆、扇形板、滑触片、导向筒和筒为黄铜材料制成；绝缘板为绝缘材料制作。扇形板是通过绝缘件与圆盘固定连接的。

U形板、导向筒的壁厚、筒的壁厚、永磁铁、永磁铁和U形板之间的空气间隙构合一个闭合的磁阻回路。当连杆的左端处于圆盘中心轴的下部时，永磁铁的右端吸引U形弯板的右端，带动筒在导向筒内向右滑动，通过推拉杆和连杆推动圆盘逆时针转动。直到将连杆的左端拉到圆盘中心轴的上部停止。这时，扇形板在圆盘的带动下转动到将两个滑触片短接，直流电源接通线圈，线圈得电产生磁场。其磁场的方向与永磁铁的磁场方向相反，对永磁铁产生向左的推力，带动筒在导向筒内向左滑动，通过推拉杆和连杆推动圆盘继续逆时针转动。直到连杆的左端运动到圆盘中心轴左侧的位置，这个位置是连杆左端在圆盘中心轴右侧向左被驱动的起始位置对称的位置。这时，扇形板退出对两个滑触片的短接，线圈所产生的磁场消失，停止对永磁铁继续向左驱动。在惯性的作用下，圆盘继续转动，连杆的左端运动到圆盘中心轴的左下处，永磁铁的右端吸引U形弯板的右端，带动筒在导向筒内向右滑动，实现圆盘的连续转动，直到将连杆的左端被拉到圆盘中心轴的上部停止。即实现圆盘中心轴的连续转动，实现轴的连续动力输出。这个试验机的实际运行与事先的设想是一致的。

图5和图6中的05为底座，06为触点支架，07为绝缘板，08为滑触片，09为扇形板，010为圆盘，011为连杆，012为推拉杆，013为导向筒，014为U形板，015为筒，016为永磁铁，017为线圈，018为导向筒支架，019为圆盘支架，020为直流电源。所述的直流电源为市售产品。

对于动力输出而言，如果圆盘中心轴在一个圆周运动的过程中始终承受驱动，对转动的动力均衡输出是有利的，本试验机具有这个特征，因为本试验机在断电时还存在永磁力的驱动。多个这样的试验机输出轴串接组合，通过每个单试验机的输出轴驱动初始的角度差的设置可以使得转动力均衡的效果更好。但如果单机转动力均衡度越好对多个单试验机的输出轴串接组合来说，运转的力均衡性会更好。

对于磁力线闭合的磁阻回路对外是不显磁场的，只有磁力线对外开放的磁阻回路对外表现出磁场。由图3构成的磁阻回路的空气间隙部分，永磁铁的左端与铁芯左端的空气距离最短且比较近的情况下，这两端之间的磁力线密度是很大的。永磁铁受力也是比较大的。这跟直流电动机转子线圈离定子磁极的距离越近，转子线圈处于磁力线密度越大的位置，转子所承受越大的转动力矩是一样的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的剖视图A-A；

图3为为本发明的派生方案图一；

图4为一种永磁电磁结合的驱动机构的模型图；

图5一种永磁电磁结合的动力输出机构的试验机组装示意图；

图6为图5的俯视图；

图7为本发明的派生方案图二；

图8为一种永磁电磁结合的驱动机构的电气原理图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种永磁电磁结合的驱动机构，包括：基座1、第一支架2、永磁铁3、第一套筒4、第二套筒5、铁芯6、线圈7和切换组件14；切换组件14主要由：位置开关15、切换干16 和电源17；其特征在于：

如图1所示，第一支架2的下端固定连接于基座1上的设定位置，第一支架2的上端固定连接于第二套筒5的下部。永磁铁3置于第一套筒4内，第一套筒4置于第二套筒5内，第一套筒4可以在第二套筒5内左右滑动。铁芯6的两端固定连接第二套筒5两端的外柱面，线圈7的中心孔套接铁芯6的中部。永磁铁3的两端为磁极。第一套筒4和第二套筒5为低相对磁导率材料制成。

所述的第一套筒4和第二套筒5为低相对磁导率材料制成，主要是考虑如果第一套筒4和第二套筒5为高相对磁导率材料制成时，永磁铁3所产生的磁性通过第一套筒4对第二套筒5产生的磁力，在零距离接触的状态下，相互之间的吸力很大，相互之间产生的摩檫力将很大，第一套筒4很难在第二套筒5中左右滑动。因为第一套筒4和第二套筒5的接触是有间隙的，如果第一套筒4和第二套筒5均为高相对磁导率材料制成，因为接触部分相当于之间没有空气介质，而有间隙之间相当于加设了空气介子，所以它们之间接触部分的吸力远大于带有间隙部分的吸力。尽管它们之间是环形连接，相互之间对称方向的反向吸力不能相互抵消。所以在大吸力的作用下，第一套筒4和第二套筒5之间的摩檫力将很大，不利于第一套筒4在第二套筒5内左右滑动。

如果将第二套筒5为低相对磁导率材料制成时，比如选用黄铜材料制成，黄铜的相对磁导率接近于空气的相对磁导率。这样，就相当于在第一套筒4和铁芯6之间隔一层均匀的空气。尽管这个间隙存在不均匀性，但是对同一种介质的距离上来讲，这种间隙的不均匀性从百分比的角度上看就很小了。这样，它们相互之间对称方向的反向吸力可以相互抵消很多，第一套筒4可以很容易地在第二套筒5内左右滑动。在实际实施时，第一套筒4和第二套筒5都为黄铜材料制成的，因为作为低相对磁导率材料黄铜比较好加工，容易达到配合面所要求的光洁度，且材料机械性能比较好和材料的价格比较低等优点。

如图1所示，所述的切换组件14主要由位置开关15和切换杆16构成。切换组件14的下端固定装设于基座1上，切换组件14上固定装设有位置开关15，切换杆16的左端固定连接于第一套筒4的右端。永磁铁3与铁芯6之间的磁力线主要分布于永磁铁3左端面和铁芯6左端面之间，二者之间的吸力将使得永磁铁3和第一套筒4在第二套筒5中向左移动。当永磁铁3和第一套筒4向左移动到设定位置时，切换杆16下面的凸台压接位置开关15上部的左端，位置开关15的触点将线圈7和电源17接通，线圈7使铁芯6产生一个与永磁铁3的相反的磁场。这时，永磁铁3被向右推动。当永磁铁3带动第一套筒4和切换杆16向右运动到设定位置时，切换杆16下面的凸台压接位置开关15上部的右端，位置开关15切断线圈7和电源17之间的电气连接。铁芯6的磁力消失，永磁铁3左端面和铁芯6左端面之间的吸力再次出现，永磁铁3带动第一套筒4向左运动。完成了一个自动的循环动作。

如图8为一种永磁电磁结合的驱动机构的电气原理图，它表达永磁铁3左端和铁芯6左端之间相互吸引和排斥的电气工作原理图。位置开关为位置开关X1和X2的组合。当切换杆16移动到左端设定位置时，位置开关X2被触动短接，接触器KM得电其常开触点闭合，线圈7得电使铁芯6产生与永磁铁相反的磁场，在断路器闭合的状态下，永磁铁3被向右推动。这时，位置开关X2已经断开，但线圈自锁保持得电。当切换杆16移动到右端设定位置时，位置开关X1被触动断开，接触器KM断电其常开触点断开，线圈7失电。永磁铁3左端和铁芯6左端之间相互吸引，切换杆16向左移动，直到位置开关X2被触动短接。完成永磁铁3自动左右运动的一个周期。

图8中的QF为断路器，17为电源，7为线圈，X1、X2为行程开关，KM为接触器。

所述的位置开关15位置开关也可以是接近开关，实现对线圈7的接通与断开。

本实施例的技术特征体现在，是通过永磁和电磁相互交替对第一套筒4所施以的往复动作。这个往复动作可以被一些机械工作要求所应用。实现往复运动的另一个重要手段是在永磁铁3和铁芯6之间加设了低导磁率的材料，是考虑永磁铁3右端柱面被铁芯6右端包裹，中间隔有第一套筒4和第二套筒5，使得永磁铁3环形径向吸引铁芯6，永磁铁3对铁芯6的径向吸引被对称方向的径向引力抵消。因此有利于永磁铁3带动第一套筒4在第二套筒5中左右滑动。

为了避免磁对整个机构的运动产生影响，所述的切换杆16和第一支架2用低相对磁导率的材料制成。

实施例2

一种永磁电磁结合的驱动机构的实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：

如图7所示，多个主要由：第一支架2、永磁铁3、第一套筒4、第二套筒5、铁芯6和线圈7构成的机构，其中的第一支架2的下端固定连接于基座1上；其左侧上的第一套筒4与右侧上的第一套筒4通过连接杆同轴首尾连接。

实验证明，用永磁铁芯的内部的相对导磁率跟空气基本一样。一个长的永磁铁可以理解为由多个永磁铁单元串接构成，离一个长的永磁铁两端较远的永磁铁单元对一个长的永磁铁两端产生磁感应就会减弱。这说明要想使得永磁铁两端的磁力线密度增大单靠磁铁的长度的增加不是最有效的。当永磁铁的长度增加到一定长度时，永磁铁两端的磁力线密度的增加就越来越不明显。

如果要增大切换杆16左右运动的力量的一个办法是，让多个主要由第一支架2、永磁铁3、第一套筒4、第二套筒5、铁芯6和线圈7构成的机构，通过连杆将他们的第一套筒4首尾连接。如图7所示。

本部分的有益效果体现在增大切换杆16左右运动的总力。

实施例3

一种永磁电磁结合的驱动机构的实施例3与实施例1基本相同，其不同之处在于：

如图1和图3所示，所述的切换组件14去掉。由主要由连杆8、曲柄9、输出轴10、扇形板11、信号输出组件12和第二支架13构成的机构所代替。

图3所示，第二支架13的下端固定连接于基座1上端面上的设定位置。输出轴10与第二支架13上端的孔轴连接，间隙配合。扇形板11通过绝缘件与输出轴10固定连接。曲柄9的一端孔与输出轴10固定连接。曲柄9的另一端孔与连杆8的一端孔轴连接，间隙配合。连杆8的另一端孔与第一套筒4的右端孔轴连接，间隙配合。

图3所示，信号输出组件12与的下端固定连接于基座1上的设定位置，当扇形板11跟随输出轴10转动到设定的角度时，信号输出组件12上的触点被扇形板11短接，线圈7与电源17接通，铁芯6产生的磁力与永磁铁3的磁力相反，铁芯6的左端推动永磁铁3的左端向右运动，永磁铁3、第一套筒4和连杆8向右移动，到设定位置时，扇形板11跟随顺时针输出轴10转动到设定的角度时，信号输出组件12上的触点切断线圈7与电源17的连接，铁芯6的磁力消失。接下来是永磁铁3的左端吸引铁芯6的左端，铁芯6带动第一套筒4、第二套筒5和连杆8向左运动，曲柄9和输出轴10继续顺时针转动，直到信号输出组件12上的触点被扇形板11短接。线圈7与电源17的连接接通，线圈7得电推动永磁铁3向右运动。完成永磁铁3左右运动的一个自动循环。

当永磁铁3的水平方向的轴线的高度在输出轴10的上方时，连杆8和曲柄9之间的连接点推动输出轴10顺时针转动，到连杆8和曲柄9之间的连接点处于输出轴10的右侧下方时线圈7断电，铁芯6电磁力消失，永磁铁3的左端吸引铁芯6的左端，杆8和曲柄9之间的连接点推动输出轴10继续顺时针转动。也就是说，当永磁铁3的水平方向的轴线的高度在输出轴10的上方时，输出轴10为顺时针转动。

当永磁铁3的水平方向的轴线的高度在输出轴10的下方时，连杆8和曲柄9之间的连接点推动输出轴10逆时针转动到连杆8和曲柄9之间的连接点处于输出轴10的右侧，直到线圈7断电。在惯性的作用下，输出轴10继续逆时针转动到永磁铁3左端和铁芯6左端相互吸引，使得输出轴10继续逆时针转动。也就是说，当永磁铁3的水平方向的轴线的高度在输出轴10的下方时，输出轴10为逆时针转动。

所述的第一支架2的高度可调，其目的是当第一套筒4的水平轴线高于第二支架13上端孔轴线的高度时，输出轴10实现顺时针转动；当第一套筒4的水平轴线低于第二支架13上端孔轴线的高度时，输出轴10实现逆时针转动。

本部分的有益效果体现在，第一套筒4的左右运动实现了对一个机构的输出轴10做出了连续的转动运动。

对于由多个由本实施例构成的机构，其中的输出轴10同轴连接，本实施例构成的机构可以围绕输出轴10轴线的周围布置，而且主要由基座1、第一支架2、永磁铁3、第一套筒4、第二套筒5、铁芯6和线圈7构成的往复机构离输出轴10轴线的的距离也可以根据需要予以调整设置。这样的好处是其组成的动力输出可以根据所给出的空间来设计。

电源17和位置开关15为市售产品。

Claims (6)

1.一种永磁电磁结合的驱动机构，包括：基座（1）、第一支架（2）、永磁铁（3）、第一套筒（4）、第二套筒（5）、铁芯（6）、线圈（7）、切换组件（14）和电源（17）；其特征在于：第一支架（2）的下端固定连接于基座（1）上的设定位置，第一支架（2）的上端固定连接于第二套筒（5）的下部；永磁铁（3）置于第一套筒（4）内，第一套筒（4）置于第二套筒（5）内，第一套筒（4）可以在第二套筒（5）内左右滑动；铁芯（6）的两端固定连接第二套筒（5）两端的外柱面，线圈（7）的中心孔套接铁芯（6）的中部；永磁铁（3）的两端为磁极；第二套筒（5）为低相对磁导率材料制成；在第二套筒（5）的右侧，基座（1）上固定装设有切换组件（14），当永磁铁（3）的左端和铁芯（6）的左端相互吸引，永磁铁（3）带动第一套筒（4）向左移动到设定位置时，切换组件（14）使得线圈（7）与电源（17）接通，铁芯（6）产生磁性，磁场方向与永磁铁的磁场方向相反，并限制永磁铁（3）和第一套筒（4）继续向左移动，永磁铁（3）的左端和铁芯（6）的左端相互排斥；当永磁铁（3）和第一套筒（4）向右移动到设定位置时，切换组件（14）使得线圈（7）与电源（17）断开，并限制永磁铁（3）和第一套筒（4）继续向右移动，第一套筒（4）为低相对磁导率材料制成，第一支架（2）为低相对磁导率材料制成。

2. 根据权利要求1所述的一种永磁电磁结合的驱动机构，其特征在于：多个由第一支架（2）、永磁铁（3）、第一套筒（4）、第二套筒（5）、铁芯（6）和线圈（7）构成的机构，其中的第一支架（2）的下端固定连接于基座（1）上；其左侧上的第一套筒（4）与右侧上的第一套筒（4）通过连接杆同轴首尾连接。

3. 根据权利要求1所述的一种永磁电磁结合的驱动机构，其特征在于：所述的第一支架（2）的高度是可以调整的。

4. 根据权利要求1所述的一种永磁电磁结合的驱动机构，其特征在于：所述的切换组件（14）去掉；由连杆（8）、曲柄（9）、输出轴（10）、扇形板（11）、信号输出组件（12）和第二支架（13）构成的机构所代替；

第二支架（13）的下端固定连接于基座（1）上端面上的设定位置；输出轴（10）与第二支架（13）上端的孔轴连接，间隙配合；扇形板（11）通过绝缘件与输出轴（10）固定连接；曲柄（9）的一端孔与输出轴（10）固定连接；曲柄（9）的另一端孔与连杆（8）的一端孔轴连接，间隙配合；连杆（8）的另一端孔与第一套筒（4）的右端孔轴连接，间隙配合；信号输出组件（12）的下端固定连接于基座（1）上的设定位置，当扇形板（11）跟随输出轴（10）转动到设定的角度时，信号输出组件（12）上的触点断开，扇形板（11）继续转动一个设定的角度时，信号输出组件（12）上的触点短接；信号输出组件（12）上的触点与线圈（7）绕组和电源（17）串联构成一个电气回路。

5. 根据权利要求4所述的一种永磁电磁结合的驱动机构，其特征在于：所述的信号输出组件（12）上的触点为接近开关。

6.根据权利要求4所述的一种永磁电磁结合的驱动机构，其特征在于：所述的连杆（8）为低相对磁导率材料制成。