CN110111972B - 基于弹簧压力和磁阻力实现位置稳定的双向自保持电磁铁 - Google Patents

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Abstract

基于弹簧压力和磁阻力实现位置稳定的双向自保持电磁铁，它涉及一种双向保持电磁铁。本发明为了解决现有的电磁铁在稳定状态时需要给线圈连续通电，从而导致电磁铁功耗较大，且可能会引起线圈发热、保持力降低导致失效等问题。本发明它包括左推杆、右推杆、轭铁、动芯，所述轭铁内设有空腔，左推杆、动芯、右推杆呈一字型设置，且首尾依次连接成一体，动芯位于空腔内，本发明还包括永磁体、螺旋线圈和弹簧，永磁体为空心圆柱体，永磁体、螺旋线圈由内至外依次套装在动芯上，弹簧套装在右推杆上。本发明用于机电技术领域。

Description

基于弹簧压力和磁阻力实现位置稳定的双向自保持电磁铁
技术领域
本发明涉及一种双向保持电磁铁,具体涉及一种基于弹簧压力和磁阻力实现位置稳定的双向自保持电磁铁。
背景技术
电磁铁是一种应用广泛的电磁器件，目前的电磁铁基本上均为单向自保持产品，即在某一方向的特定位置处保持自稳定。若要实现电磁铁在反方向上的位置稳定状态，必须持续给线圈通电，依靠电磁力来保持该稳定状态，从而导致电磁铁功耗较大，且可能会引起线圈发热、保持力降低导致失效等问题，使得电磁铁在航天、国防和一些高技术应用受到了限制。实现双向的自保持功能是降低电磁铁功耗的关键，为此人们设计出各种各样的机电式和电磁式的保持方式。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的电磁铁在稳定状态时需要给线圈连续通电，从而导致电磁铁功耗较大，且可能会引起线圈发热、保持力降低导致失效等问题，进而提供一种基于弹簧压力和磁阻力实现位置稳定的双向自保持电磁铁。
本发明的技术方案是：本发明它包括左推杆、右推杆、轭铁、动芯，所述轭铁内设有空腔，左推杆、动芯、右推杆呈一字型设置，且首尾依次连接成一体，动芯位于轭铁的空腔内，本发明还包括永磁体、螺旋线圈和弹簧，永磁体为空心圆柱体，永磁体、螺旋线圈由内至外依次套装在动芯上，弹簧套装在右推杆上。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、传统的电磁铁没有永磁体，在稳定状态时需要线圈连续通电产生保持力，本发明的电磁铁，在初始位置通过弹簧提供正锁定力，在终止位置通过磁阻力提供反向锁定力，属于双向自保持；2、若电磁铁需要在稳定状态持续Ts时间，相对于线圈连续通电的电磁铁，本发明的电磁铁脉冲电流只需持续1S，电磁铁功耗为1/Ts；3、由于是短时脉冲电流，电流幅值可以很大，输出电磁力大，动子响应迅速；电流密度30A/mm2时，电磁推力约为6.8N，对于体积相同、连续通电的电磁铁，电流密度一般小于10A/mm2，电磁推力要远远小于本发明的电磁铁。4、体积小，结构简单，可拓展性强。
附图说明
图1是本发明在初始位置时的结构示意图；
图2是本发明在终止位置时的结构示意图。
图3是动芯的结构示意图；
图4是永磁体的截面示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的双向保持电磁铁包括轭铁5、动芯3，所述轭铁5内设有空腔，动芯3位于轭铁5的空腔内，动芯3的左端设有左推杆1，动芯3的右端设有右推杆2，其特征在于：本发明还包括永磁体4、螺旋线圈6和弹簧7，永磁体4为空心圆柱体，永磁体套装在动芯上，螺旋线圈6缠绕在永磁体4的外周，弹簧7套装在右推杆2的外表面上。
轭铁5与动芯3之间存在气隙，弹簧7位于右动芯齿与右端盖内表面之间，且套装在右推杆2上，永磁体4为至少两块扇环状的块体拼接成圆空心圆柱体并粘接在动芯3上(参见说明书附图图4)。
动芯3在图1所示的初始位置时，动芯齿3-1紧贴在左端盖8的内表面，此时依靠弹簧7提供沿Z轴正方向的正向锁定力；当需要让动芯进入终止位置时，在线圈6中通入脉冲电流，动芯3受到一个大于弹簧力的沿Z轴负方向的电磁力，动芯3开始向终止位置滑动，当右动芯齿3-2靠近导磁齿5-1时，导磁齿5-1的存在使得动芯3与轭铁5发生磁阻效应，动芯3受到一个沿Z轴负方向的磁阻力，在这两个力的共同作用下，动芯3克服弹簧力，进入到终止位置，如图2所示，磁阻力在该位置时达到最大，依靠磁阻力提供反向锁定力；当需要让动芯脱离终止位置时，在螺旋线圈6中通过反方向的脉冲电流，动芯3受到沿Z轴正方向的电磁推力，在电磁力与弹簧力的共同作用下，动芯3克服磁阻力，回到图1的初始位置。
如此设置，本发明在初始位置通过弹簧提供正向锁定力，在终止位置通过磁阻力提供反向锁定力，属于双向自保持；通过脉冲电流进行稳态切换，不需连续供电，功耗降低，脉冲电磁力高，响应速度快；体积小，结构简单，装配方便。
具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的动芯3与左推杆1之间设有左动芯齿3-1，动芯3与右推杆2之间设有右动芯齿3-2，左动芯齿3-1与右动芯齿3-2之间形成动芯槽3-3，永磁体4位于动芯槽3-3内。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的所述永磁体4的壁厚不大于动芯槽3-3的深度。如此设置，为了方便对永磁体进行被覆处理，永磁体外径壁厚略小于动芯槽3-3的深度。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的所述轭铁5的左端设有左端盖8，左端盖8设有左中心孔，左推杆1的一端穿过左中心孔并可在左中心孔内直线滑动；轭铁5的右端设有右端盖9，右端盖9设有右中心孔，右推杆2的一端穿过右中心孔并可在右中心孔内直线滑动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的所述螺旋线圈6由第一线圈6-1和第二线圈6-2组成，第一线圈6-1和第二线圈6-2的绕向相反。如此设置，线圈6-1和线圈6-2通入的电流方向相反，线圈骨架为环氧棒。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的永磁体4由第一永磁体4-1、第二永磁体4-2和第三永磁体4-3由左至右依次排列，第一永磁体4-1沿r轴正方向充磁，第二永磁体4-2沿z轴负方向充磁，第三永磁体4-3沿r轴负方向充磁。第一永磁体4-1与第三永磁体4-3大小相同，第二永磁体4-2的长度小于第一永磁体4-1和第三永磁体4-3的长度。准Halbach排列的永磁体使得气隙磁密增大，磁阻力增大。
其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的第一永磁体4-1左端紧贴左动芯齿3-1的内表面，第三永磁体4-3与的右端与右动芯齿3-2之间设有微小气隙。
其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的所述左端盖8、右端盖9均为非导磁材料；轭铁5、动芯3、左推杆1、右推杆2均为导磁实心钢，端盖采用非导磁材料是为了隔磁，磁力线只能经过轭铁、动芯形成回路。
其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
具体实施方式九：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的永磁体4的材料为钕铁硼，钕铁硼矫顽力大，剩磁高，产生的磁阻力大。
其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。
工作原理：
动芯3在图1所示的初始位置时，动芯齿3-1紧贴在左端盖8的内表面，此时依靠弹簧7提供沿Z轴正方向的正向锁定力；当需要让动芯进入终止位置时，在线圈6中通入脉冲电流，动芯3受到一个大于弹簧力的沿Z轴负方向的电磁力，动芯3开始向终止位置滑动，当右动芯齿3-2靠近导磁齿5-1时，导磁齿5-1的存在使得动芯3与轭铁5发生磁阻效应，动芯3受到一个沿Z轴负方向的磁阻力，在这两个力的共同作用下，动芯3克服弹簧力，进入到终止位置，如图2所示，磁阻力在该位置时达到最大，依靠磁阻力提供反向锁定力；当需要让动芯脱离终止位置时，在螺旋线圈6中通过反方向的脉冲电流，动芯3受到沿Z轴正方向的电磁推力，在电磁力与弹簧力的共同作用下，动芯3克服磁阻力，回到图1的初始位置。

Claims (7)

1.基于弹簧压力和磁阻力实现位置稳定的双向自保持电磁铁，它包括左推杆（1）、右推杆（2）、动芯（3）、永磁体（4）、轭铁（5）、螺旋线圈（6）和弹簧（7），所述轭铁（5）内设有空腔，左推杆（1）、动芯（3）、右推杆（2）呈一字型设置，且首尾依次连接成一体，动芯（3）位于轭铁（5）的空腔内， 永磁体（4）为空心圆柱体，永磁体（4）、螺旋线圈（6）由内至外依次套装在动芯（3）上，弹簧（7）套装在右推杆（2）上；其特征在于：轭铁（5）设有导磁齿（5-1）；所述动芯（3）与左推杆（1）之间设有左动芯齿（3-1），动芯（3）与右推杆（2）之间设有右动芯齿（3-2），左动芯齿（3-1）与右动芯齿（3-2）之间形成动芯槽（3-3），永磁体（4）为至少两块扇环状的块体拼接成圆空心圆柱体并粘接在动芯（3）上的动芯槽（3-3）内， 永磁体（4）由第一永磁体（4-1）、第二永磁体（4-2）和第三永磁体（4-3）由左至右依次排列，在圆柱坐标系中，第一永磁体（4-1）沿r轴正方向充磁，第二永磁体（4-2）沿z轴负方向充磁，第三永磁体（4-3）沿r轴负方向充磁；第一永磁体（4-1）左端紧贴左动芯齿（3-1）的内表面，第三永磁体（4-3）的右端与右动芯齿（3-2）之间设有气隙。
2.根据权利要求1所述的基于弹簧压力和磁阻力实现位置稳定的双向自保持电磁铁，其特征在于：所述永磁体（4）的壁厚不大于动芯槽（3-3）的深度。
3.根据权利要求1所述的基于弹簧压力和磁阻力实现位置稳定的双向自保持电磁铁，其特征在于：所述轭铁（5）的左端设有左端盖（8），左端盖（8）设有左中心孔，左推杆（1）的一端穿过左中心孔并可在左中心孔内直线滑动；轭铁（5）的右端设有右端盖（9），右端盖（9）设有右中心孔，右推杆（2）的一端穿过右中心孔并可在右中心孔内直线滑动。
4.根据权利要求1所述的基于弹簧压力和磁阻力实现位置稳定的双向自保持电磁铁，其特征在于：所述螺旋线圈（6）由第一线圈（6-1）和第二线圈（6-2）组成，第一线圈（6-1）和第二线圈（6-2）的绕向相反。
5.根据权利要求1所述的基于弹簧压力和磁阻力实现位置稳定的双向自保持电磁铁，其特征在于：第一永磁体（4-1）与第三永磁体（4-3）大小相同，第二永磁体（4-2）的长度小于第一永磁体（4-1）和第三永磁体（4-3）的长度。
6.根据权利要求3所述的基于弹簧压力和磁阻力实现位置稳定的双向自保持电磁铁，其特征在于：所述左端盖（8）和右端盖（9）均为非导磁材料；轭铁（5）、动芯（3）、左推杆（1）和右推杆（2）均为导磁实心钢。
7.根据权利要求1所述的基于弹簧压力和磁阻力实现位置稳定的双向自保持电磁铁，其特征在于：所述永磁体（4）的材料为钕铁硼。
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