CN112922990B - 一种磁弹簧装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁弹簧技术领域，公开一种磁弹簧装置。其中磁弹簧装置包括第一框架和第二框架，第一框架为磁钢阵列，磁钢阵列的壁厚从中间至两端逐渐递减，磁钢阵列的磁化方向平行于第一方向；第二框架可滑动穿设于磁钢阵列的内孔，第二框架包括至少两个动子磁钢和至少三个背铁，背铁的数量比动子磁钢的数量多一个，背铁与动子磁钢交错排列，相邻动子磁钢的磁化方向相反且均平行于第一方向，动子磁钢能够磁化背铁，磁钢阵列为背铁施加平行于第一方向的磁力。本发明增加了第二框架运动的有效行程，且在有效行程内输出力较大，波动较小，能够应用于行程较大、输出力波动较小的工况。

Description

一种磁弹簧装置

技术领域

本发明涉及磁弹簧技术领域，尤其涉及一种磁弹簧装置。

背景技术

随着工业自动化装备制造集成度逐步提高，对垂向运动机构的运动精度和运动行程的需求逐年增加，垂向运动机构中弹簧的使用量也逐步增加。按照弹簧的输出力原理，弹簧可分为机械弹簧、气动弹簧、液压弹簧和电磁弹簧。对于磁性弹簧来说，其在行程范围内输出力波动很小，应用场合较为宽泛。

现有技术中，磁性弹簧包括定子和动子，定子包括外壳以及位于外壳端部、与动子相对滑动的定子轴端，定子内设有定子永磁体，定子永磁体的磁极方向平行于定子轴向，动子上设有至少两个动子永磁体，动子永磁体沿动子的轴向布置，动子永磁体中至少有一个与定子永磁体同极性排列，定子永磁体为动子永磁体施加磁力。但是，由于定子永磁体为壁厚相同的环状体，产生的磁场密度由内到外逐渐变小，其有效行程较短，有效行程为动子受到均匀磁力的行程范围，且输出力幅值较小、波动较大，无法在行程较大、输出力幅值较大但波动小的工况中应用。

基于此，亟需一种磁弹簧装置，以解决上述存在的问题。

发明内容

基于以上所述，本发明的目的在于提供一种磁弹簧装置，增加了第二框架运动的有效行程，且在有效行程内输出力较大，波动较小，对背铁施加的磁力基本相同，能够应用于行程较大、输出力幅值较大但波动较小的工况。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种磁弹簧装置，包括：

第一框架，所述第一框架为磁钢阵列，所述磁钢阵列为设置有内孔的环状体，所述磁钢阵列的壁厚从中间至两端逐渐递减，所述磁钢阵列的磁化方向平行于所述第一方向；

第二框架，其可滑动穿设于所述磁钢阵列的内孔，所述第二框架包括至少两个动子磁钢和至少三个背铁，所述背铁的数量比所述动子磁钢的数量多一个，所述背铁与所述动子磁钢交错排列，相邻所述动子磁钢的磁化方向相反且均平行于所述第一方向，所述动子磁钢能够磁化所述背铁，所述磁钢阵列为所述背铁施加平行于所述第一方向的磁力。

作为一种磁弹簧装置的优选技术方案，所述磁钢阵列包括多个磁钢，多个所述磁钢沿所述第一方向拼接形成所述磁钢阵列，多个所述磁钢均为设置有同轴线的环状体，所述磁钢阵列的多个所述磁钢的磁化方向相同且均平行于所述第一方向。

作为一种磁弹簧装置的优选技术方案，一个所述动子磁钢和两个所述背铁在所述第一方向上的长度和大于所述第一框架在所述第一方向上的长度；

多个所述磁钢的长度由中间至两端逐个递减，多个所述磁钢的壁厚从中间至两端逐个递减，所述磁钢阵列呈对称结构；

所述动子磁钢除以所述背铁在所述第一方向上的长度比值不小于2。

作为一种磁弹簧装置的优选技术方案，多个所述磁钢包括第一磁钢、两个第二磁钢和两个第三磁钢，所述第一磁钢、所述第二磁钢和所述第三磁钢的壁厚依次减小，所述磁钢阵列中磁钢的排列顺序依次为所述第三磁钢、所述第二磁钢、所述第一磁钢、所述第二磁钢及所述第三磁钢；

所述第一磁钢、所述第二磁钢和所述第三磁钢的外径逐个递减而内径相等；或所述第一磁钢、所述第二磁钢和所述第三磁钢的内径逐个增大而外径相等。

作为一种磁弹簧装置的优选技术方案，所述动子磁钢的数量为三个，所述背铁的数量为四个；或

所述动子磁钢的数量为两个，所述背铁的数量为三个。

作为一种磁弹簧装置的优选技术方案，所述磁弹簧装置沿所述第一方向的机械行程和有效行程分别定义为S_m和S_e；所述磁弹簧装置沿第一方向的机械行程和有效行程分别为：

其中，M为所述动子磁钢(21)的数量，M+1为所述背铁(22)的数量，L_N为所述磁钢阵列(1)由中间至两端数第N个所述磁钢的长度，A为所述第二框架(2)中所述动子磁钢(21)沿第一方向的长度，B为所述第二框架(2)中所述背铁(22)沿第一方向的长度，L_i为所述磁钢阵列(1)由中间至两端数第i个磁钢的长度，M≥2且为正整数，N≥2且为正整数，i为正整数。

作为一种磁弹簧装置的优选技术方案，所述动子磁钢和所述背铁均为外径相等的柱形结构。

作为一种磁弹簧装置的优选技术方案，所述动子磁钢和所述背铁均为环形结构；

所述动子磁钢和所述背铁的内径和外径均相等；或所述动子磁钢和所述背铁的内径相等、外径不等；或所述动子磁钢和所述背铁的内径不等、外径相等。

作为一种磁弹簧装置的优选技术方案，所述动子磁钢和所述背铁的其中之一为环形结构，其中另一为柱形结构，所述动子磁钢和所述背铁的外径相等。

作为一种磁弹簧装置的优选技术方案，所述磁钢阵列的磁钢和所述动子磁钢均选用稀土永磁材料；所述背铁选用高磁导率材料。

本发明的有益效果为：

本发明中磁弹簧装置包括第一框架和第二框架，其中，第一框架为磁钢阵列，磁钢阵列为设置有内孔的环状体，磁钢阵列的多个磁钢的磁化方向相同且均平行于第一方向；第二框架可滑动穿设于磁钢阵列的内孔，第二框架包括至少两个动子磁钢和至少三个背铁，背铁与动子磁钢交错排列，相邻动子磁钢的磁化方向相反且均平行于第一方向分布，动子磁钢磁化背铁。在实际运行过程中，位于动子磁钢中间的磁化后的背铁受到磁钢阵列的磁力作用，第二框架和磁钢阵列发生相对位移时，背铁受到磁力反作用，而位于第二框架两端的磁化后的背铁，其作用是在第二框架运动过程中，防止动子磁钢的磁力线与磁钢阵列的磁力线耦合，以造成该磁弹簧装置的机械行程和有效行程的减小。为了使磁钢阵列产生的磁场密度在一段距离内保持稳定，所以磁钢阵列的壁厚从中间至两端逐个递减，壁厚较薄的部位为壁厚较厚的部位补充磁力线，使磁钢阵列整体产生的磁场密度在一定距离内保持基本相同，增加了第二框架运动的有效行程，且在有效行程内输出力较大，波动较小，对第二框架施加的磁力基本相同，能够应用于行程较大、输出力幅值较大、波动较小的工况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施方式提供的磁弹簧装置的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的磁弹簧装置的剖视图；

图3是本发明具体实施方式提供的磁弹簧装置的磁化方向示意图；

图4是本发明具体实施方式提供的磁弹簧装置的第一框架的第二形态的剖视图；

图5是本发明具体实施方式提供的磁弹簧装置的第二框架的第二形态的剖视图；

图6是本发明具体实施方式提供的磁弹簧装置的第二框架的第三形态的剖视图；

图7是本发明具体实施方式提供的磁弹簧装置的第二框架的第四形态的剖视图；

图8是本发明具体实施方式提供的磁弹簧装置的第二框架的第五形态的剖视图；

图9是本发明具体实施方式提供的磁弹簧装置的第二框架的第一形态的输出推力仿真波形图；

图10是本发明具体实施方式提供的磁弹簧装置的第二框架的第二形态的输出推力仿真波形图。

图中标记如下：

1、磁钢阵列；11、第一磁钢；12、第二磁钢；13、第三磁钢；

2、第二框架；21、动子磁钢；22、背铁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

现有技术中，由于磁弹簧装置的定子永磁体为壁厚相同的环状体，产生的磁场密度由内到外逐渐变小，其磁力的有效行程较短，且输出力幅值较小、波动较大，无法在行程较大、输出力幅值较大但波动较小的工况中应用。

为解决上述问题，如图1-图3所示，本实施例提供一种磁弹簧装置，该磁弹簧装置包括第一框架和第二框架2。其中，第一框架为磁钢阵列1，磁钢阵列1为设置有内孔的环状体，磁钢阵列1的壁厚从中间至两端逐渐递减，磁钢阵列1的磁化方向平行于所述第一方向(第一方向为该磁弹簧装置的轴向方向)；第二框架2可滑动穿设于磁钢阵列1的内孔，第二框架2包括至少两个动子磁钢21和至少三个背铁22，背铁22的数量比动子磁钢21的数量多一个，背铁22与动子磁钢21交错排列，相邻动子磁钢21的磁化方向相反且均平行于第一方向，动子磁钢21磁化背铁22，磁钢阵列1为背铁22施加平行于第一方向的磁力。优选地，本实施例中，动子磁钢21的数量选为3个，背铁22的数量选为4个。在实际运行过程中，位于两动子磁钢21之间的磁化后的背铁22受到磁钢阵列1的磁力作用，第二框架2和磁钢阵列1发生相对位移时，背铁22受到磁力反作用；而位于第二框架2两端的磁化后的背铁22，其作用是在第二框架2运动过程中，防止动子磁钢21的磁力线与磁钢阵列1的磁力线耦合，以造成该磁弹簧装置的机械行程和有效行程的减小。优选地，背铁22与动子磁钢21之间可通过胶水相互粘结，而且动子磁钢21与背铁22之间存在磁吸力，提高了第二框架2的稳固性。

为了使磁钢阵列1产生的磁场密度在一段距离内保持稳定，所以磁钢阵列1壁厚从中间至两端逐渐递减，壁厚较薄的部位为壁厚较厚的部位补充磁力线，以调节磁场均匀程度，使磁钢阵列1整体产生的磁场密度在有效行程内保持基本相同，有效行程为第二框架2受到均匀磁力的行程范围，增加了有效行程的长度，且在有效行程内输出力较大，波动较小，磁钢阵列1对第二框架2在有效行程内施加的磁力基本相同，该磁弹簧装置能够应用于行程较大、输出力幅值较大、波动较小的工况。优选地，本实施例中磁钢阵列1的磁钢之间粘结固定。在其他实施例中，磁钢阵列1还可以一体成型，通过模具制造或其他方法制造，使其外表面呈阶梯分布，满足生产使用需求。

优选地，磁钢阵列1包括多个磁钢，多个磁钢沿第一方向拼接形成磁钢阵列1，多个磁钢均为设置有同轴线的环状体，磁钢阵列1的多个磁钢的磁化方向相同且均平行于所述第一方向。本实施例中，本实施例中磁钢阵列1包括第一磁钢11、两个第二磁钢12和两个第三磁钢13，第一磁钢11、第二磁钢12和第三磁钢13壁厚依次减小，磁钢阵列1中磁钢的排列顺序依次为第三磁钢13、第二磁钢12、第一磁钢11、第二磁钢12及第三磁钢13。

需要注意的是，为了保证第一框架与第二框架2之间有效行程大小，第一框架和第二框架2在第一方向上的长度尺寸的相对关系如下：(1)一个动子磁钢21和两个背铁22在第一方向上的长度和大于第一框架在第一方向上的长度；(2)多个磁钢的长度由中间至两端逐个递减，多个磁钢的壁厚从中间至两端逐个递减，磁钢阵列1的磁钢数量为奇数个且呈对称结构；(3)动子磁钢21除以背铁22在第一方向上的长度比值不小于2。本实施例中磁钢阵列1的第一磁钢11、第二磁钢12和第三磁钢13沿第一方向均为分段式结构。通过调节磁钢沿第一方向的长度，不仅可增大磁弹簧装置的有效行程范围，还可调节磁钢阵列1沿第一方向的磁场分布，使磁场均匀化程度更高，进而降低行程范围内输出力的波动。

进一步优选地，本实施例中，第一磁钢11、第二磁钢12及第三磁钢13壁厚的逐个递减的方式为第一磁钢11、第二磁钢12和第三磁钢13的外径逐个递减而内径相等。在其他实施例中，如图4所示，壁厚递减方式还可以为第一磁钢11、第二磁钢12和第三磁钢13的内径逐个增大而外径相等。上述结构，均能够保证磁场的均匀化程度，进而降低行程范围内输出力的波动。

作为优选地，本实施例能够根据具体工况需求通过调节动子磁钢21和背铁22的数量，进而调节第二框架2的受力方向。若磁弹簧装置既需输出推力、也需要输出拉力，则第二框架2需要至少三个动子磁钢21和至少四个背铁22，背铁22的数量比动子磁钢21的数量多一个，背铁22与动子磁钢21交错排列。本实施例中，第二框架2包括三个动子磁钢21和四个背铁22，且背铁22与动子磁钢21交错排列，位于两动子磁钢21之间有一个背铁22，这样设置的背铁22有两个，且这样设置的两个背铁22磁化后，磁力线方向不同，进而使这两个背铁22的受力方向不同。

若磁弹簧装置只需输出单方向的推力或拉力时，如图5所示，则第二框架2只需要两个动子磁钢21和三个背铁22，位于动子磁钢21之间的背铁22仅有一个，磁化后的背铁22磁力线仅有一个方向，所以背铁22的受力方向为单方向受力。

进一步地，本实施例中，第二框架2的结构形式如下，动子磁钢21和背铁22均为外径相等的柱形结构。在其他实施例中，如图6所示，动子磁钢21和背铁22也可为内径和外径均相等的环形结构；或如图7所示，动子磁钢21和背铁22也可为内径相等、外径不等的环形结构；或如图8所示，动子磁钢21和背铁22也可为内径不等、外径相等的环形结构；或动子磁钢21和背铁22中的其中一个为环形结构，另一个为柱形结构，动子磁钢21和背铁22的外径相等。上述第二框架2的结构形式均能满足生产使用需求，均能保证磁场的均匀化程度，进而降低行程范围内输出力的波动。

优选地，在第二框架2与磁钢阵列1相对移动时，为了使其运动稳定，该磁钢阵列1的内孔上还安装有导套，第二框架2可滑动安装于导套内，使第二框架2相对磁钢阵列1滑动顺畅。

作为优选地，本实施例中，磁钢阵列1的磁钢和动子磁钢21均选用稀土永磁材料；背铁22选用高磁导率材料。

需要说明的是，本实施例还提供了磁弹簧装置沿第一方向的机械行程和有效行程的算法，机械行程为第二框架2能够受到第一框架磁力的行程范围，有效行程为第二框架2在机械行程内磁力均匀的行程范围。如图1～图3所示，本实施例中，磁弹簧装置沿第一方向的机械行程和有效行程分别定义为S_m和S_e；磁弹簧装置沿第一方向的机械行程和有效行程分别为：

其中，M为动子磁钢21的数量，M+1为背铁22的数量，L_N为磁钢阵列1由中间至两端数第N个磁钢的长度，A为第二框架2中动子磁钢21沿第一方向的长度，B为第二框架2中背铁22沿第一方向的长度，L_i为磁钢阵列1由中间至两端数第i个磁钢的长度，M≥2且为正整数，N≥2且为正整数，i为正整数。

如图1～图3所示，当第一磁钢由五个磁钢组成，第二框架2由三个动子磁钢21和四个背铁22组成时，有S_m≥3A+4B-L₁-L₂-L₃；S_e≥2A+4B-L₁-L₂-2L₃成立。如图9所示，图中横坐标为磁弹簧装置的位移，纵坐标为磁弹簧装置输出推力，横坐标零点对应图2中磁弹簧装置的初始位置，图9中输出推力较为平稳的区间为该磁弹簧装置的有效行程，有效行程在横坐标零点左右两侧对称分布，均为S_e/2。在横坐标零点左侧有效行程范围内，磁弹簧装置沿第一方向的输出力幅值为-F_e；在横坐标零点右侧有效行程范围内，磁弹簧装置沿第一方向的输出力幅值为F_e，且有效行程范围内，磁弹簧装置输出推力的波动不超过3％，优于相同行程范围内传统音圈电机的波动程度。

当第一框架由五个磁钢组成，第二框架2由两个动子磁钢21和三个背铁22组成时，有S_m≥2A+3B-L₁-L₂-L₃；S_e≥A+3B-L₁-L₂-2L₃成立。如图10所示，图中横坐标为磁弹簧装置的位移，纵坐标为磁弹簧装置输出推力，横轴零坐标对应图5中磁弹簧装置的初始位置，左右端点值分别对应磁弹簧装置机械行程的一半，图10中输出推力较为平稳的区间可看成是该磁弹簧装置的有效行程，有效行程范围内，磁弹簧装置沿第一方向的输出力幅值为F_e，且有效行程范围内，磁弹簧装置的输出力波动不超过3％。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种磁弹簧装置，其特征在于，包括：

第一框架，所述第一框架为磁钢阵列(1)，所述磁钢阵列(1)为设置有内孔的环状体，所述磁钢阵列(1)的壁厚从中间至两端逐渐递减，所述磁钢阵列(1)的磁化方向平行于第一方向；

第二框架(2)，其可滑动穿设于所述磁钢阵列(1)的内孔，所述第二框架(2)包括至少两个动子磁钢(21)和至少三个背铁(22)，所述背铁(22)的数量比所述动子磁钢(21)的数量多一个，所述背铁(22)与所述动子磁钢(21)交错排列，相邻所述动子磁钢(21)的磁化方向相反且均平行于所述第一方向，所述动子磁钢(21)能够磁化所述背铁(22)，所述磁钢阵列(1)为所述背铁(22)施加平行于所述第一方向的磁力。

2.根据权利要求1所述的磁弹簧装置，其特征在于，所述磁钢阵列(1)包括多个磁钢，多个所述磁钢沿所述第一方向拼接形成所述磁钢阵列(1)，多个所述磁钢均为设置有同轴线的环状体，所述磁钢阵列(1)的多个所述磁钢的磁化方向相同且均平行于所述第一方向。

3.根据权利要求2所述的磁弹簧装置，其特征在于，

一个所述动子磁钢(21)和两个所述背铁(22)在所述第一方向上的长度和大于所述第一框架在所述第一方向上的长度；

多个所述磁钢的长度由中间至两端逐个递减，多个所述磁钢的壁厚从中间至两端逐个递减，所述磁钢阵列(1)呈对称结构；

所述动子磁钢(21)除以所述背铁(22)在所述第一方向上的长度比值不小于2。

4.根据权利要求2所述的磁弹簧装置，其特征在于，多个所述磁钢包括第一磁钢(11)、两个第二磁钢(12)和两个第三磁钢(13)，所述第一磁钢(11)、所述第二磁钢(12)和所述第三磁钢(13)的壁厚依次减小，所述磁钢阵列(1)中所述磁钢的排列顺序依次为所述第三磁钢(13)、所述第二磁钢(12)、所述第一磁钢(11)、所述第二磁钢(12)及所述第三磁钢(13)；

所述第一磁钢(11)、所述第二磁钢(12)和所述第三磁钢(13)的外径逐个递减而内径相等；或所述第一磁钢(11)、所述第二磁钢(12)和所述第三磁钢(13)的内径逐个增大而外径相等。

5.根据权利要求2所述的磁弹簧装置，其特征在于，所述动子磁钢(21)的数量为三个，所述背铁(22)的数量为四个；或

所述动子磁钢(21)的数量为两个，所述背铁(22)的数量为三个。

6.根据权利要求2所述的磁弹簧装置，其特征在于，所述磁弹簧装置沿所述第一方向的机械行程和有效行程分别定义为S_m和S_e；所述磁弹簧装置沿所述第一方向的所述机械行程和所述有效行程分别为：

其中，M为所述动子磁钢(21)的数量，M+1为所述背铁(22)的数量，L_N为所述磁钢阵列(1)由中间至两端数第N个所述磁钢的长度，A为所述第二框架(2)中所述动子磁钢(21)沿所述第一方向的长度，B为所述第二框架(2)中所述背铁(22)沿所述第一方向的长度，L_i为所述磁钢阵列(1)由中间至两端数第i个所述磁钢的长度，M≥2且为正整数，N≥2且为正整数，i为正整数。

7.根据权利要求1-6任一项所述的磁弹簧装置，其特征在于，所述动子磁钢(21)和所述背铁(22)均为外径相等的柱形结构。

8.根据权利要求1-6任一项所述的磁弹簧装置，其特征在于，所述动子磁钢(21)和所述背铁(22)均为环形结构；

所述动子磁钢(21)和所述背铁(22)的内径和外径均相等；或所述动子磁钢(21)和所述背铁(22)的内径相等、外径不等；或所述动子磁钢(21)和所述背铁(22)的内径不等、外径相等。

9.根据权利要求1-6任一项所述的磁弹簧装置，其特征在于，所述动子磁钢(21)和所述背铁(22)的其中之一为环形结构，其中另一为柱形结构，所述动子磁钢(21)和所述背铁(22)的外径相等。

10.根据权利要求1所述的磁弹簧装置，其特征在于，所述磁钢阵列(1)的所述磁钢和所述动子磁钢(21)均选用稀土永磁材料；所述背铁(22)选用高磁导率材料。

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