CN111049348A - 一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置 - Google Patents

Abstract

一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，该装置包括壳体；动作器，用于驱动物体发生往复运动；驱动线圈，用于产生感应涡流；电源系统，用于产生脉冲电流；控制系统，用于控制脉冲电流波形；所述壳体内设有驱动线圈、动作器，动作器置于驱动线圈中心轴线上，驱动线圈连接电源系统，电源系统连接控制系统。本发明一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，采用简单的机械结构实现了往复式运动的动力驱动，该装置产生的电磁力大小可调，控制精度高，使用场景广泛。

Description

一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置

技术领域

本发明一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，用于产生直线方向上的推力和拉力，以作用于其他物体作往复式运动。

背景技术

直线往复运动是工业中广泛采用的一种运动形式，在各种机械中有着广泛的应用，涉及化工、生物制品、制药、食品加工和空调制冷等行业。而提供直线往复运动的动力装置也多种多样。

现有的直线式驱动装置主要是采用旋转电机带动曲柄连杆驱动物体，在该装置工作过程中，导向杆会产生横向力，使得导向杆容易发生磨损，降低工作效率，并且其结构不紧凑，加工难度较大，造价较高。另外，由旋转电机驱动的凸轮弹簧复位驱动装置，因为需要克服弹簧的能量做功，使得整体的效率较低，并且装置中的弹簧容易产生磨损。除了上述的由旋转电机带动的动力装置外，现有技术中还有由磁力驱动的往复式动力装置，但是该装置主要运用的是梯度磁场原理，永磁体所产生的磁场强度较小，一般为0.5-1T，使得电磁铁和永磁体间产生的磁力量级较小，以至于驱动装置的整体功率较小，难以驱动较大的荷载。由永磁体产生的稳态磁场一直分布在装置内部空间，由此可能对装置内的电子、电气设备产生影响。

例如：

中国专利（CN201320647670.3） “一种往复式驱动装置”，提供了一种往复式驱动装置，由旋转电机带动传动轮转动，偏心设置的轴承外壁与导向块的导槽内壁相抵靠在导槽内滑动，并由此带动导向块往复运动。该方法虽然采用了轴承来减少与导槽内壁的摩擦，但会在轴承上产生一个不平衡力矩，使得轴承的负荷较大；同时，该方法使得机械结构较为复杂，降低了装置的工作效率和增大了经济成本。

中国专利（CN200480013453.2） “往复式线性驱动致动器和使用它的电动牙刷”，提供了一种用作电动牙刷的驱动源的往复式线性驱动致动器，其将由螺线管线圈组成的电磁铁置于同一轴线上的两永磁体中间，两永磁体磁性相反，在螺线管线圈中通入交流电，使得轴线中心的电磁铁可在轴线方向往复及线性的运动。该方法主要采用了梯度磁场原理，永磁体所产生的磁场强度较小，一般为0.5-1T，使得电磁铁和永磁体间产生的磁力量级较小，以至于驱动装置的整体功率较小，难以驱动较大的荷载。由永磁体产生的稳态磁场一直分布在装置内部空间，由此可能对装置内的电子、电气设备产生影响。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，可以在直线方向上产生推力和拉力，动作器所受摩擦较小，机械损耗较低；同时，本发明的结构及控制简单，产生的瞬态磁场的磁场强度高达几十T，电磁力大小及量级可调，可以很好地与荷载匹配，适用场景丰富；此外，本发明装置在静置（非使用状态）时不产生磁场，不会对装置内、外电子、电气设备产生影响。

本发明采取的技术方案为：

一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，该装置包括：

壳体；

动作器，用于驱动物体发生往复运动；

驱动线圈，用于产生感应涡流；

电源系统，用于产生脉冲电流；

控制系统，用于控制脉冲电流波形；

所述壳体内设有驱动线圈、动作器，动作器置于驱动线圈中心轴线上，驱动线圈连接电源系统，电源系统连接控制系统。

该装置还包括限位器，限位器位于壳体内部端部，限位器用于限制动作器运动位置。

该装置为竖置形式、或者横置形式。

所述动作器上设有用于连接外部受驱动物体的连接器。

所述驱动线圈包含前部线圈、中部线圈、后部线圈，独立的电源系统及控制系统分别于各部线圈串联。

该装置采用前部线圈、中部线圈、后部线圈三驱动线圈形式，在前部线圈中通入第一脉冲电流，在中部线圈中通入第三脉冲电流，在后部线圈中通入第二脉冲电流。

该装置采用前部线圈、后部线圈双驱动线圈形式，在前部线圈中通入第四脉冲电流，在后部线圈中通入第五脉冲电流；

当在前部线圈中通入第四脉冲电流，在后部线圈中通入第五脉冲电流时，动作器的感应涡流将经历反向再反向的过程，即设动作器中的初始感应涡流方向为正，则在动作器单向运动的过程中，动作器中的感应涡流方向为正、负、正。

一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置的动力驱动实现方法，

所述驱动线圈中通入脉冲电流，使得驱动线圈周围空间产生时变磁场，根据电磁感应原理，置于驱动线圈中心轴线上的动作器内将产生感应电流，同时也会产生一个感生磁场；根据楞次定律，驱动线圈与动作器间将产生相互作用的电磁力；

电磁力能够通过通入驱动线圈的脉冲电流波形进行调控，相应的能够在驱动线圈4与动作器之间产生相互排斥或相互吸引的电磁力；

最后，通过相应的时序控制，能够有效的控制电磁力作用方向的转换，使得装置呈现往复式运动形式。

一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置的动力驱动实现方法，

电源系统、控制系统产生的脉冲电流，在驱动线圈周围空间产生时变磁场，时变磁场则将在动作器中产生感应涡流，根据F=J×B，穿过动作器的径向磁场与动作器中的感应涡流共同作用，将会使得驱动线圈与动作器将会相互受到排斥力的作用；

当在驱动线圈中通入脉冲电流的前半个周期，则会在驱动线圈周围空间产生时变磁场，穿过动作器的径向磁场与动作器中的感应涡流共同作用，将会使得驱动线圈与动作器将会相互受到吸引力的作用；通过相应的时序配合，则能够使得动作器根据需要作往复运动。

本发明一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，优点在于：

1、本发明实现了减少了动作器在往复式运动过程中的机械摩擦，减小了能量损失，提高了工作效率；

2、本发明所采用的电磁力驱动形式能量密度高、可控性能好，产生的瞬态磁场的磁场强度高达几十T，电磁力大小及量级可调，可以很好地与荷载匹配，适用场景丰富；

3、本发明装置在静置（非使用状态）时不产生磁场，不会对装置内、外电子、电气设备产生影响；

4、本发明提出的电磁力驱动的往复式运动方式突破了传统动力装置的局限，为了直线型往复式动力装置的发展带来了新的技术突破。

5、本发明采用简单的机械结构实现了往复式运动的动力驱动，该装置产生的电磁力大小可调，控制精度高，使用场景广泛。

附图说明

图1为本发明动力装置分解示意图。

图2（1）为本发明三线圈竖置式动力装置示意图；

图2（2）为本发明三线圈竖置式动力装置剖面图；

图3为本发明三线圈横置式动力装置示意图。

图4为本发明双线圈竖置式动力装置示意图。

图5为本发明双线圈横置式动力装置示意图。

图6（a）为本发明三线圈动力装置通电初始时刻动作器受到的电磁力作用示意图。

图6（b）为本发明三线圈动力装置(T/2)⁺时刻动作器受到的电磁力作用示意图。

图6（c）为本发明三线圈动力装置(T)⁺时刻动作器受到的电磁力作用示意图。

图6（d）为本发明三线圈动力装置(3T/2)⁺时刻动作器受到的电磁力作用示意图。

图7（a）为本发明双线圈动力装置通电初始时刻动作器受到的电磁力作用示意图。

图7（b）为本发明双线圈动力装置(T/4)⁺时刻动作器受到的电磁力作用示意图。

图7（c）为本发明双线圈动力装置(T/2)⁺时刻动作器受到的电磁力作用示意图。

图7（d）为本发明双线圈动力装置(3T/4)⁺时刻动作器受到的电磁力作用示意图。

图8（a）为由电源系统和控制系统共同作用生成的第一脉冲电流波形图。

图8（b）为由电源系统和控制系统共同作用生成的第二脉冲电流波形图。

图8（c）为由电源系统和控制系统共同作用生成的第三脉冲电流波形图。

图8（d）为由电源系统和控制系统共同作用生成的第四脉冲电流波形图。

图8（e）为由电源系统和控制系统共同作用生成的第五脉冲电流波形图。

其中：1.壳体；2.动作器；21.连接器；3.限位器；4.驱动线圈；41.前部线圈；42.中部线圈；43.后部线圈；71.第一脉冲电流；72. 第二脉冲电流；73. 第三脉冲电流；74. 第四脉冲电流；75. 第五脉冲电流。

具体实施方式

一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，该装置包括：

壳体1；

动作器2，用于驱动物体发生往复运动；

驱动线圈4，用于产生感应涡流；

电源系统，用于产生脉冲电流；

控制系统，用于控制脉冲电流波形。

所述壳体1内设有驱动线圈4、动作器2，动作器2置于驱动线圈4中心轴线上，驱动线圈4连接电源系统，电源系统连接控制系统。

该装置还包括限位器3，限位器3位于壳体1内部端部，限位器3用于限制动作器2运动位置。

壳体1的结构为圆柱形的腔体结构，底部封闭，顶部开口，开口部设置一个限位器3。

壳体1材质为钢结构或者强度大的纤维固体。

电源系统采用电容器组电源，型号为单个电容器容量为160μF，可相互串并联。

控制系统采用晶闸管器件以及外电路进行远程控制。

用于驱动外部物体的动作器2一般为良性导体，当动作器2为高导电性的金属时，可适度提高装置性能。当动作器2为低电导性或绝缘体时，可通过但不限于表面电镀高导电率金属、喷涂高导电性材料等方式提高动作器2表面的电导率。

本发明一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，根据作用于动作器2的电磁力的作用特点，可将该装置分为三驱动线圈形式、双驱动线圈形式。

所述的驱动线圈4包含前部线圈41、中部线圈42、后部线圈43。

所述的电源系统在所述的控制系统控制下，在驱动线圈4中分别产生第一脉冲电流71、第二脉冲电流72、第三脉冲电流73、第四脉冲电流74、第五脉冲电流75，如图8（a）、图8（b）、图8（c）、图8（d）、图8（e）所示：

电源系统与控制系统相互配合作用下产生的第一脉冲电流71的基础波形为正弦波形。

电源系统与控制系统相互配合作用下产生的第二脉冲电流72波形为与基波周期一致的余弦波形。

电源系统与控制系统相互配合作用下产生的第三脉冲电流73的周期为基波的2倍，相位滞后180^°。

电源系统与控制系统相互配合作用下产生的第四脉冲电流74的周期与基波一致，前半个周期为与基波一致的正弦波形，在后半个周期中，波谷的幅值较波峰大，电流从零开始逐渐增大到波谷值，然后迅速衰减到零。

电源系统与控制系统相互配合作用下产生的第五脉冲电流75的周期与基波一致，前半个周期的波形与第四脉冲电流74的后半个周期波形一致，后半个周期的波形与第四脉冲电流74的前半个周期波形一致。

实施例一：

三线圈组成的电磁力驱动的往复式动力装置的具体实施方案：

1）、如图2（1）、图2（2）所示，驱动线圈4由前部线圈41、中部线圈42、后部线圈43共同构成，并由独立的电源系统及控制系统分别于各部线圈串联。如图2（1）、图2（2）、图3所示，该装置可分为竖置形式及横置形式；

竖置形式可以利于驱动滑块在连接外部驱动杆动作时上下运动；特点：竖置时，外部驱动杆上下操作性能较好；

横置形式可以利于驱动滑块在连接外部驱动杆动作时左右运动；特点：横置时，外部驱动杆左右操作性能较好。

2）、将控制系统产生的第一脉冲电流71通入前部线圈41中，第二脉冲电流72通入中部线圈42，脉冲电流73通入后部线圈43；

3）、同时启动电源系统，当动作器2位于前部位置时，动作器2中的感应涡流产生的时变磁场将与第一脉冲电流71及第一脉冲电流71产生的时变磁场共同作用，使得动作器2受到向右的电磁力作用，并开始向右运动，如图6（a）所示；

4）、当动作器2运动到中部位置时，此时动作器2中的感应涡流将会反向，此时动作器2将会受到驱动线圈4的作用继续向右运动，但动作器2的加速度将逐渐变小，如图6（b）所示；

5）、当动作器2运动到后部位置并停止后，动作器2将会在中部线圈42与后部线圈43的共同作用下，受到向左的电磁力作用，并向左开始运动，如图6（c）所示；

6）、当动作器2运动到中部位置时，此时动作器2中的感应涡流将会反向，此时动作器2将会受到驱动线圈4的作用继续向左运动，但动作器2的加速度将逐渐变小，如图6（d）所示；

7）、当动作器2运动到前部位置并停止后，动作器2将会在前部线圈41与中部线圈42的共同作用下，受到向右的电磁力作用，并向右开始运动，如图6（a）所示；

8）、至此，动力装置将重复进行过程4）到过程7），动作器2将实现往复式运动。

实施例二：

双线圈组成的电磁力驱动的往复式动力装置的具体实施方案：

①、如图所示4，驱动线圈4由前部线圈41、后部线圈43共同构成，并由独立的电源系统及控制系统分别于各部线圈串联。如图4、图5所示，该装置可分为竖置形式及横置形式；

②、将控制系统产生的第四脉冲电流74通入前部线圈41中，第五脉冲电流75通入后部线圈43；

③、同时启动电源系统，当动作器2位于前部位置时，动作器2中的感应涡流产生的时变磁场将与第四脉冲电流74及第四脉冲电流74产生的时变磁场共同作用，使得动作器2受到向右的电磁力作用，并开始向右运动，如图7（a）所示；

④、当动作器2运动到中间位置时，此时动作器2中的感应涡流将会反向，但因为受到后部线圈43的作用，此时动作器中的感应涡流将继续发生反向，动作器2将会受到向左的电磁力作用，并且动作器2的运动速度将会逐渐减小，如图7（b）所示；

⑤、当动作器2运动到后部位置并停止后，动作器2将会在前部线圈41与后部线圈43的共同作用下，受到向左的电磁力作用，并向左开始运动，如图7（c）所示；

⑥、当动作器2运动到中间位置时，此时动作器2中的感应涡流将会反向，但因为受到前部线圈41的作用，此时动作器2中的感应涡流将继续发生反向，动作器2将会向右的电磁力作用，并且动作器2的运动速度将会逐渐减小，如图7（d）所示；

⑦、当动作器2运动到前部位置并停止后，动作器2将会在前部线圈41与后部线圈43的共同作用下，受到向右的电磁力作用，并向右开始运动，如图7（a）所示；

⑧、至此，动力装置将重复进行过程④到过程⑦，动作器2将实现往复运动。

Claims (9)

1.一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，其特征在于该装置包括：

壳体（1）；

动作器（2），用于驱动物体发生往复运动；

驱动线圈（4），用于产生感应涡流；

电源系统，用于产生脉冲电流；

控制系统，用于控制脉冲电流波形；

所述壳体（1）内设有驱动线圈（4）、动作器（2），动作器（2）置于驱动线圈（4）中心轴线上，驱动线圈（4）连接电源系统，电源系统连接控制系统。

2.根据权利要求1所述一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，其特征在于：该装置还包括限位器（3），限位器（3）位于壳体（1）内部端部，限位器（3）用于限制动作器（2）运动位置。

3.根据权利要求1所述一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，其特征在于：该装置为竖置形式、或者横置形式。

4.根据权利要求1所述一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，其特征在于：所述动作器（2）上设有用于连接外部受驱动物体的连接器（21）。

5.根据权利要求1所述一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，其特征在于：所述驱动线圈（4）包含前部线圈（41）、中部线圈（42）、后部线圈（43），独立的电源系统及控制系统分别于各部线圈串联。

6.根据权利要求5所述一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，其特征在于：该装置采用前部线圈（41）、中部线圈（42）、后部线圈（43）三驱动线圈形式，在前部线圈（41）中通入第一脉冲电流（71），在中部线圈（42）中通入第三脉冲电流（73），在后部线圈（43）中通入第二脉冲电流（72）。

7.根据权利要求5所述一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置，其特征在于：该装置采用前部线圈（41）、后部线圈（43）双驱动线圈形式，在前部线圈（41）中通入第四脉冲电流（74），在后部线圈（43）中通入第五脉冲电流（75）；

当在前部线圈（41）中通入第四脉冲电流（74），在后部线圈（43）中通入第五脉冲电流（75）时，动作器（2）的感应涡流将经历反向再反向的过程，即设动作器（2）中的初始感应涡流方向为正，则在动作器（2）单向运动的过程中，动作器（2）中的感应涡流方向为正、负、正。

8.一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置的动力驱动实现方法，其特征在于：所述驱动线圈（4）中通入脉冲电流，使得驱动线圈（4）周围空间产生时变磁场，根据电磁感应原理，置于驱动线圈（4）中心轴线上的动作器（2）内将产生感应电流，同时也会产生一个感生磁场；根据楞次定律，驱动线圈（4）与动作器（2）间将产生相互作用的电磁力；

电磁力能够通过通入驱动线圈（4）的脉冲电流波形进行调控，相应的能够在驱动线圈（4）与动作器（2）之间产生相互排斥或相互吸引的电磁力；

最后，通过相应的时序控制，能够有效的控制电磁力作用方向的转换，使得装置呈现往复式运动形式。

9.一种非永磁式电磁力驱动的往复式动力装置的动力驱动实现方法，其特征在于：电源系统、控制系统产生的脉冲电流，在驱动线圈（4）周围空间产生时变磁场，时变磁场则将在动作器（2）中产生感应涡流，根据F=J×B，穿过动作器（2）的径向磁场与动作器（2）中的感应涡流共同作用，将会使得驱动线圈（4）与动作器（2）将会相互受到排斥力的作用；

当在驱动线圈（4）中通入脉冲电流的前半个周期，则会在驱动线圈（4）周围空间产生时变磁场，穿过动作器（2）的径向磁场与动作器（2）中的感应涡流共同作用，将会使得驱动线圈（4）与动作器（2）将会相互受到吸引力的作用；通过相应的时序配合，则能够使得动作器（2）根据需要作往复运动。

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