CN112855803B - 一种具有多磁极的磁流变流体制动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁流变流体制动器，公开了一种具有多磁极的磁流变流体制动器，包括端盖(1)、输入轴(2)、密封轴承(3)和基座(8)，所述输入轴(2)上设有转盘(9)，所述基座(8)内部设置有励磁线圈(5、6和7)、内筒(10)和导磁块(11、12)，所述端盖(1)内侧设有密封圈(4)，在所述端盖(1)、密封轴承(3)、输入轴(2)、密封圈(4)、内筒(10)和转盘(9)形成的密封空腔内填有磁流变流体。该具有多磁极的磁流变流体制动器通过设计多个线圈，能将磁场均匀分布在转盘的圆柱面，使磁流变材料能提供较大的剪切制动力矩，制动响应速度快，易于调控，且结构简单紧凑，易拆卸和维修，加工难度低，有利用小型化和大规模化。

Description

一种具有多磁极的磁流变流体制动器

技术领域

本发明涉及磁流变流体制动器技术领域，具体涉及一种具有多磁极的磁流变流体制动器，属于机械制动技术领域。

背景技术

磁流变流体是一种新型智能材料，其在外加磁场的作用下，发生磁流变效应，由初始的牛顿流体特性瞬间呈现出类固体特性。磁流变过程具有反应迅速、效果可逆而且能耗低、适应性强等优点。利用磁流变流体精确可调的剪切应力，将磁流变流体应用在制动系统中，通过控制磁场电路中的电流来调节制动器的制动力矩，即为磁流变流体制动器。

磁流变流体微制动器是集智能材料与新型制动技术于一体的高新技术，采用基于磁流变流体的制动控制技术，从根本上改变了制动器机械摩擦制动的思想。磁流变流体微制动器有别于传统制动器，具有控制简单，控制能源消耗低，制动部件磨损小，能耗低，响应速度快，快速可调等优点。虽然磁流变流体微制动器的响应速度和可控性高于传统制动器，但在实际应用中磁流变流体微制动器却存在制动力矩小的不足。在磁流变流体制动器微型化的过程中，制动器的空间结构设计、励磁线圈的缠绕方式、匝数和层数、结构精度等因素都会对输出磁场的位置和强度产生影响，进而影响磁流变流体的局部流变特性，最终影响输出制动力矩的大小。研究表明，磁流变流体的流变特性在未饱和状态下与磁场强度呈线性关系，磁场强度越高，固化程度越高，剪切产生的切应力越大。在筒式磁流变流体微制动器中，磁场集中在制动轴的圆柱底面，而在制动轴的圆柱侧面的磁场非常稀薄，这使得制动轴底面成为输出制动力矩的主要制动面，而底面处，越靠近底面圆心的力臂越小，导致输出到轴的合力矩非常小。经过研究分析，设计新型的微制动器结构，改变原有励磁线圈产生的磁场磁路，将磁场集中在制动轴圆柱侧面是提高制动力矩简单有效的解决方案。

通过专利检索，存在以下已知的技术方案：申请号：CN201810634806.4，申请日：2018.06.20，公开公告日：2018.09.07，本发明公开了一种新型磁流变转动阻尼器，主要由左端盖、制动器内筒、励磁线圈、阻尼器外筒、线圈载体铁芯、螺旋式活塞杆、左端盖、右轴承等组成。励磁线圈通电后产生磁场，在磁场作用下，磁流变流体发生固化来阻碍螺旋式活塞杆的旋转，使得磁流变流体的剪切应力增加，产生较大转动力矩。该发明采用螺旋式活塞杆来改变磁流变流体的流动方式，可在磁流变流体用量不变的情况下，通过增大接触面积来增加制动力矩。

上述专利设计了新的励磁线圈组，利用多组磁极，产生了垂直作用于制动轴侧面的磁场，从而提升了制动器的制动力矩。但由于其结构复杂，加工难度高，制作成本大，不利于将其小型化和大规模化。故，亟需一种新型的基于磁流流体的制动器，解决上述的技术缺陷。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种多线圈磁流变流体微制动器，该制动器能将磁场均匀分布在转盘的圆柱面，显著提高制动力矩，提高制动性能，并且结构简单，加工成本低。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种具有多磁极的磁流变流体制动器，密封轴承(3)，还包括端盖(1)、输入轴(2)、和基座(8)，所述输入轴(2)上设有转盘(9)，所述基座(8)内部设置有励磁线圈(5、6和7)、内筒(10)和导磁块(11、12)，所述端盖(1)内侧设有密封圈(4)，在所述端盖(1)、密封轴承(3)、输入轴(2)、密封圈(4)、内筒(10)和转盘(9)形成的密封空腔内填有磁流变流体；所述的励磁线圈(5、6和7)，包括第一励磁线圈(7)、第二励磁线圈(6)和第三励磁线圈(5)，其中所述的第一励磁线圈(7)设于所述基座(8)的下端，所述第二励磁线圈(6)设于所述基座(8)的中部，所述第三励磁线圈(5)设于所述基座(8)的上部；所述的导磁块(11、12)，包括第一导磁块(11)和第二导磁块(12)，其中所述第一导磁块(11)设于所述第一励磁线圈(7)和所述第二励磁线圈(6)之间，第二导磁块(12)设于所述第二励磁线圈(6)和所述第三励磁线圈(5)之间。

进一步地，所述端盖(1)的上端面具有突起的安装槽1(1-2)，以安装密封轴承(3)；所述端盖(1)的下端面具有凹槽1(1-1)，以安装密封圈(4)，所述凹槽1(1-1)的开设深度等于安装密封圈(4)的厚度，所述端盖(1)为非导磁材料。

进一步地，所述输入轴(2)与所述转盘(9)采用螺纹连接。

进一步地，所述励磁线圈(5、6和7)都为空心圆柱励磁线圈，且空心圆柱的直径大于所述内筒(10)的外径，所述励磁线圈(5、6和7)采用直径为0.3～0.75mm，绝缘耐热等级为E～F级的漆包线。

进一步地，所述励磁线圈(5、6和7)可以采用并联或两两串联的方式。

进一步地，所述导磁块(11、12)为空心导磁材料，且空心圆柱的直径大于所述内筒(10)的外径。

进一步地，所述基座(8)的下端设有线孔(8-1)，所述基座(8)的下部还开设有凹槽2(8-2)，以安装内筒(10)，所述基座(8)的上端还设有安装槽2(8-3)，以安装所述端盖(1)，所述安装槽2(8-3)的开设深度等于端盖(1)的厚度，所述基座(8)为导磁材料。

优选地，所述基座(8)可选用铁，软铁。

进一步地，所述基座(8)与所述内筒(10)采用胶接或焊接，所述内筒(10)为非导磁材料。

优选地，所述内筒(10)可选用铝合金材料，加工方便、质量轻。

与现有技术相比,本发明具有以下有益效果：

1、通过多个励磁线圈协同工作形成多个磁极，产生均匀分布的磁场，具有制动力矩平稳，制动冲击小，噪声小，能量消耗低等特点。

2、通过多个励磁线圈协同工作形成多个磁极产生磁场，使磁流变材料提供较大的剪切制动力矩，制动响应速度快，易于调控；

3、本发明结构简单紧凑，易拆卸和维修，加工难度低，成本低，节省了安装空间，且利于小型化和大规模化。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为本发明的磁场强度仿真云图

图中：

1、端盖；1-1、凹槽1；1-2、安装槽1；2、输入轴；3、密封轴承；4、密封圈；5、第三励磁线圈；6、第二励磁线圈；7第三励磁线圈；8、基座；8-1、线孔；8-2、凹槽2；8-3，安装槽2；转9、转盘；9-1、螺纹孔；10、内筒；11、第一导磁块；12、第二导磁块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示为本发明的结构示意图，其结构关系为：端盖(1)、输入轴(2)、密封轴承(3)和基座(8)，所述输入轴(2)上设有转盘(9)，所述基座(8)内部设置有励磁线圈(5、6和7)、内筒(10)和导磁块(11、12)，所述端盖(1)内侧设有密封圈(4)，在所述端盖(1)、密封轴承(3)、输入轴(2)、密封圈(4)、内筒(10)和转盘(9)形成的密封空腔内填有磁流变流体；所述的励磁线圈(5、6和7)，包括第一励磁线圈(7)、第二励磁线圈(6)和第三励磁线圈(5)，其中所述的第一励磁线圈(7)设于所述基座(8)的下端，所述第二励磁线圈(6)设于所述基座(8)的中部，所述第三励磁线圈(5)设于所述基座(8)的上部；所述的导磁块(11、12)，包括第一导磁块(11)和第二导磁块(12)，其中所述第一导磁块(11)设于所述第一励磁线圈(7)和所述第二励磁线圈(6)之间，第二导磁块(12)设于所述第二励磁线圈(6)和所述第三励磁线圈(5)之间。

优选的，所述端盖(1)的上端面具有突起的安装槽1(1-2)，以安装密封轴承(3)；所述端盖(1)的下端面具有凹槽1(1-1)，以安装密封圈(4)；所述凹槽1(1-1)的开设深度等于安装密封圈(4)的厚度，所述端盖(1)为非导磁材料。

优选的，所述输入轴(2)与所述转盘(9)采用螺纹连接。

优选的，所述励磁线圈(5、6和7)都为空心圆柱励磁线圈，且空心圆柱的直径大于所述内筒(10)的外径，所述励磁线圈(5、6和7)采用直径为0.3～0.75mm，绝缘耐热等级为E～F级的漆包线。

励磁线圈(5、6和7)通电时，多个励磁线圈协同工作形成多个磁极，制动器内部迅速建立起相对均匀的磁场回路，使得空腔内部的磁流变流体发生磁流变效应。

优选的，所述励磁线圈(5、6和7)可以采用并联或两两串联的方式。

优选的，所述导磁块(11、12)为空心导磁材料，且空心圆柱的直径大于所述内筒(10)的外径。

优选的，所述基座(8)的下端设有线孔(8-1)，所述基座(8)的下部还开设有凹槽2(8-2)，以安装内筒(10)，所述基座(8)的上端还设有安装槽2(8-3)，以安装所述端盖(1)，所述安装槽2(8-3)的开设深度等于端盖(1)的厚度，所述基座(8)为导磁材料。

优选的，所述基座(8)与所述内筒(10)采用胶接或焊接，所述内筒(10)为非导磁材料。

如图2所示为所有励磁线圈(5、6和7)为并联后通入电流为0.6A的磁场仿真云图，多个励磁线圈协同工作形成多个磁极，制动器内部迅速建立起相对均匀的磁场回路，从图中可得，最大磁场强度为3.47×10⁵A/m，磁场均匀分布在转盘的圆柱面。

本实施例的使用方法和工作原理：

当不需要制动时，输入轴(2)正常转动；所有励磁线圈(5、6和7)均不通电，此时，输入轴(2)和转盘(9)带动空腔内的磁流变流体共同运动，制动器产生的零场粘滞力矩很小。

当需要对输入轴(2)进行制动时，励磁线圈(5、6和7)通电，多个励磁线圈协同工作形成多个磁极，制动器内部迅速建立起相对均匀的磁场回路，如图2所示，磁流变流体在数毫秒内发生响应，使输入轴(2)和转盘(9)受到剪切应力，由此产生制动力矩，对输入轴(2)进行减速制动。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，不能作为限制本发明保护范围的依据。但应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种具有多磁极的磁流变流体制动器，其特征在于，该磁流变流体制动器包括：磁流变制动器、励磁线圈组；磁流变制动器包括端盖、输入轴、基座、内筒、密封圈和转盘；励磁线圈组包括上励磁线圈、中励磁线圈、下励磁线圈、第一导磁块和第二导磁块，基座上端连接端盖，输入轴为单端支撑的圆柱体旋转轴，输入轴下端设有螺纹连接转盘，以增大输入轴的接触表面积，磁流变液盛放在内筒中，当磁流变液固化后，单端支撑的输入轴及其下端转盘受磁流变液阻尼力矩作用，励磁线圈组环绕内筒，第一导磁块设于上励磁线圈与中励磁线圈间，第二导磁块设于下励磁线圈与中励磁线圈间，上励磁线圈和下励磁线圈的厚度相等且小于中励磁线圈的厚度；通电后，中励磁线圈产生的磁场一部分经过第一导磁块和第二导磁块，并使导磁块附近的磁流变液发生磁流变效应，端盖为非导磁材料，基座为导磁材料。

2.根据权利要求1所述的一种具有多磁极的磁流变流体制动器，其特征在于，所述励磁线圈组通电时，励磁线圈(5、6、7)产生磁场，并与第一导磁块、第二导磁块协同工作，形成多个磁极，使磁流变材料提供剪切制动力矩。

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