CN113081571A - 一种耦合式立柱电机 - Google Patents

Abstract

一种耦合式立柱电机，属于电机技术领域。基于直线驱动技术和磁流变液技术设计一种兼备高响应和高柔性的耦合式立柱电机，首先设计圆筒型直线电机推动活塞在阻尼缸内沿着轴线做伸缩运动，然后电机在运行过程中通过专用的阻尼线圈产生的交变磁场来即时的改变磁流体的相态，使之能在液态和类固态之间不停的快速切换，电机通电启动时，磁流体变为液态阻尼缸阻力值较低，电机断电后，磁流体变为类固态阻尼缸阻力值较大。同时在缸体的顶部设计了长花键顶杆机构和旋转致动机构，使得活塞顶杆不仅能够做直线运动也能够围绕自身轴线做旋转运动，旋转的顶杆进入变速箱后经过减速和变向带动床体两侧的输出轴转动，实现后续床单的放卷和收卷功能。

Description

一种耦合式立柱电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体地说是一种耦合式立柱电机。

背景技术

传统的可侧翻护理床通常采用电动推杆推动背板围绕转轴旋转，推杆的一端与床体铰接，另一端与背板铰接，背板与推杆不可分开。同时电动推杆多采用电机+丝杠或者电机+涡轮蜗杆的机械升降方案，这样在床板翻转的过程中，人体一侧躯干被压紧在床板上，所受压迫力逐渐增大，另一侧躯干依然跟随翻转床板转动且不会脱离接触，这样既没有实现患者躯干背部的通风目的，又造成了躯干一侧血液流通不畅，同时，机械传动在动作的过程中刚性太强，在遭受突变载荷的过程中涡轮蜗杆等传动元件之间会产生剧烈冲击，设备磨损较快。

发明内容

本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种耦合式立柱电机。

本发明的核心技术思想是：基于直线驱动技术和磁流变液技术设计一种兼备高响应和高柔性的耦合式立柱电机，首先设计圆筒型直线电机推动活塞在阻尼缸内沿着轴线做伸缩运动，然后电机在运行过程中产生的交变磁场来即时的改变磁流体的相态，使之能在液态和类固态之间不停的快速切换，电机通电启动时，磁流体变为液态阻尼缸阻力值较低，电机断电后，磁流体变为类固态阻尼缸阻力值较大。同时在缸体的顶部设计了长花键顶杆机构和旋转致动机构，使得活塞顶杆不仅能够做直线运动也能够围绕自身轴线做旋转运动，旋转的顶杆进入变速箱后经过减速和变向带动床体两侧的输出轴转动，实现后续床单的放卷和收卷功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种耦合式立柱电机，包括下壳体和上壳体，下壳体和上壳体上加工环形凹槽，环形凹槽内安装第一线圈组件和第二环形线圈，第一线圈组件和第二环形线圈由运动线圈和阻尼线圈组成，运动线圈串联后介入变频器，阻尼线圈串联后接入阻尼控制器，下壳体内腔体安装活塞，活塞上安装动子，动子由动子磁石和动子磁轭组成，动子磁石包括两块轴向充磁的永磁体，永磁体外圆嵌套导磁套筒，动子磁轭安装在推杆上，推杆一端安装轴承，轴承安装在活塞上的轴承座内，活塞与下壳体构成阻尼腔，阻尼腔底部有磁流阀，阻尼腔内有磁流体，活塞上安装密封圈，活塞与上壳体构成伸缩腔，伸缩腔上安装气门；磁流阀和气门为双向阀门，下壳体和上壳体通过法兰连接，连接面上安装密封油环，推杆为阶梯轴，轴肩部位安装复位弹簧，磁流阀通过管路与油箱连接。

优选的，阻尼腔里面填充的介质是磁流变液，它在没有磁场的作用下，内部的磁性颗粒成自由散状分散于载液中；在外界磁场的作用下，磁流变液中的磁性颗粒会在磁场的作用下沿着磁场的方向呈链状排列，从而提升了磁流变液的剪切屈服强度；当切断电源取消施加在磁流变液上的磁场时，磁流变液中的磁性颗粒又会以极快的响应速度从链状排列结构变成自由散状分布于载液中，通过控制磁场的大小从而来控制阻尼器的阻尼力。

上壳体上安装旋转电机，旋转电机包括定子和转子，定子由铁芯和矩形线圈组成，铁芯由硅钢片经过冲模后叠压焊接而成，转子由转子磁轭和转子磁石组成，转子磁石为矩形弧面永磁体，转子磁轭内穿过推杆花键轴，推杆花键轴能够在转子磁轭内做轴向运动，转子磁轭与旋转电机的机壳之间安装端面辊子轴承。

推杆一端安装主动锥齿轮，主动锥齿轮安装在变速箱内，变速箱内安装从动锥齿轮，从动锥齿轮上安装输出轴，输出轴安装在床体的两侧。

本发明的一种耦合式立柱电机与现有技术相比所产生的有益效果是：

（1）本发明设计的耦合电机具有响应速度快、传动部件磨损较小、通过调节外加磁场,可实现转矩或转速的无级调节、控制能源消耗低、控制电压低、对外界杂质的干扰不敏感等优点,其在机电装置启动、制动、转矩调节、无级调速、过载安全保护等方面具有得天独厚的优势。

（2）设计的电机阻尼机构能够在电机线圈断电时为设备整体提供阻尼力，这样无论患者做怎样的姿态调整都不会对直线电机产生过载冲击，避免了电机失效顶杆掉落的可能性。

（3）设计的顶杆活塞顶杆不仅能够做直线运动也能够围绕自身轴线做旋转运动，旋转的顶杆进入变速箱后经过减速和变向带动床体两侧的输出轴转动，取代了传统的卷辊电机，简化了设备机构。

附图说明

附图1是本发明结构主视剖面图；

附图2是本发明结构转子三维图；

附图3是本发明结构动子三维图；

附图4是本发明结构床体俯视图；

图中，1、下壳体，2、上壳体， 3、旋转电机，4、变速箱，5、活塞，501、密封圈，502、轴承座， 6、推杆，601、推杆花键轴，7、第一线圈组件，701、运动线圈，702、阻尼线圈，8、第二环形线圈，9、定子，10、动子，101、动子磁石，102、动子磁轭，103、导磁套筒，11、转子，111、转子磁轭，112、转子磁石，12、油箱，13、磁流体，14、变频器，15、复位弹簧，16、深沟球轴承，17、主动锥齿轮，18、输出轴，19、从动锥齿轮，20、气门，21、磁流阀，221、阻尼腔，222、伸缩腔，23、阻尼控制器，24、床体。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例的作以下详细说明。

一种耦合式立柱电机，包括下壳体1和上壳体2，下壳体1和上壳体2上加工环形凹槽，环形凹槽内安装第一线圈组件7和第二环形线圈8，第一线圈组件7和第二环形线圈8由运动线圈701和阻尼线圈702组成，运动线圈701串联后介入变频器14，阻尼线圈702串联后接入阻尼控制器23，下壳体1内腔体安装活塞5，活塞5上安装动子10，动子10由动子磁石101和动子磁轭102组成，动子磁石101包括两块轴向充磁的永磁体，永磁体外圆嵌套导磁套筒103，动子磁轭102安装在推杆6上，推杆6一端安装轴承，轴承安装在活塞5上的轴承座502内，活塞5与下壳体1构成阻尼腔221，阻尼腔221底部有磁流阀21，阻尼腔221内有磁流体13，活塞5上安装密封圈501，活塞5与上壳体2构成伸缩腔222，伸缩腔222上安装气门20；磁流阀21和气门20为双向阀门，下壳体1和上壳体2通过法兰连接，连接面上安装密封油环，推杆6为阶梯轴，轴肩部位安装复位弹簧15，磁流阀21通过管路与油箱12连接。

作为本发明的第一实施例，在没有外加磁场作用下，磁流变液中的高导磁颗粒随机分散在基液中，表现为牛顿流体的特性，一旦加入磁场，高导磁颗粒的表面迅速极化而产生偶极矩，在能量最小的原则下，偶极子之间相互作用而迅速形成与磁感应线平行的长链，外加磁场越大，相互作用越强，使链状结构相互聚集形成了一种复杂的柱状结构，流体特性减弱，粘弹特性增强，在毫秒时间内迅速表现为非牛顿流体的特性。

作为本发明的第一实施例，以顶杆上升为例，在工作过程中，上壳体中运动线圈在电流的作用下产生交变磁场，动子在交变磁场的作用下带动动子向上运动，此时磁感应线通过活塞，动子磁石和运动线圈形成完整的磁路，阻尼腔中的阻尼线圈断电，磁流流体不受磁场的作用为牛顿流体状态，这样随着活塞的上行，在负压的作用下，磁流体从油箱中通过管路和磁流阀进入到阻尼腔充实到活塞下方。

进一步，当电机在上行的过程中遭遇突变载荷而产生的过电流时，变频器接收信号控制阻尼控制器导通，为阻尼线圈提供电流，阻尼线圈通电后产生交变磁场，阻尼腔的磁流体在磁场的作用下立即变为类固态，阻尼腔阻力增大。

同理，当顶杆运行至指定高度后，阻尼腔内线圈通电，磁流体变为类固态，人体重量由阻尼缸承受，直线电机不再受力，避免电机长时间通电产生过热的现象。

作为本发明的第一实施例，当外界磁场强度为零时，磁流变液成为牛顿流体，粘度系数为磁流变液未加磁场时的粘度系数，此时，阻尼腔中的磁流体通过磁流阀按照设定速度缓慢流回油箱，避免了在断电状态下输出轴突然跌落的事故发生。

上壳体2上安装旋转电机3，旋转电机3包括定子9和转子11，定子9由铁芯和矩形线圈组成，铁芯由硅钢片经过冲模后叠压焊接而成，转子11由转子磁轭111和转子磁石112组成，转子磁石112为矩形弧面永磁体，转子磁轭111内穿过推杆花键轴601，推杆花键轴601能够在转子磁轭111内做轴向运动，转子磁轭111与旋转电机3的机壳之间安装端面辊子轴承。

作为本发明的第一实施例，旋转电机固定在上壳体上，转子中心开设花键槽，推杆花键轴能够在跟随转子做旋转运动的同时还能沿着转子轴线做轴向运动，推杆的旋转运动经过变速箱减速和换向后带动后续的卷辊做收卷和放卷作业。

推杆6一端安装主动锥齿轮17，主动锥齿轮17安装在变速箱4内，变速箱4内安装从动锥齿轮19，从动锥齿轮19上安装输出轴18，输出轴18安装在床体24的两侧。

作为本发明的第一实施例，磁流变液是一种颗粒悬浮液，通常是由微米级尺寸的软磁性颗粒分散于基载液中形成，为了保证颗粒长期可靠悬浮于基载液中，加入了合适的颗粒表面添加剂，因此，磁流变液由三部分组成：软磁性颗粒、基载液和表面添加剂，各组成部分的物理化学性质决定了磁流变液的性能。

进一步，软磁性颗粒是磁流变液的重要组成部分，直接影响磁流变液的磁特性，一般应选用磁化率高的软磁性材料。常用的磁流变液颗粒材料主要有铁、钴、镍及其合金，铁的氧化物、氮化物等。

进一步，基载液是软磁性颗粒的载体，作用是将软磁性颗粒均匀分散在磁流变液中，其性能对磁流变液的性能有重要影响，对于基载液的要求是温度稳定性好、氧化稳定性好、粘度低、密度高、非易燃、无污染，目前常用的基载液主要有：矿物油、硅油、合成油、水、乙二醇等。

进一步，表面添加剂是吸附在软磁性颗粒表面的长链分子层，可以有效阻止颗粒因表面吸附作用及颗粒与基载液间的密度差形成的凝聚、结团、沉降，保证磁流变液性能的稳定。常用的表面添加剂有黄原胶、硬脂酸盐、羧酸、硅胶等。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域技术人员可以在本发明的指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种耦合式立柱电机，其特征在于，包括下壳体（1）和上壳体（2），所述下壳体（1）和上壳体（2）上加工环形凹槽，所述环形凹槽内安装第一线圈组件（7）和第二环形线圈（8），所述第一线圈组件（7）和第二环形线圈（8）由运动线圈（701）和阻尼线圈（702）组成，所述运动线圈（701）串联后介入变频器（14），所述阻尼线圈（702）串联后接入阻尼控制器（23），所述下壳体（1）内腔体安装活塞（5），所述活塞（5）上安装动子（10），所述动子（10）由动子磁石（101）和动子磁轭（102）组成，所述动子磁石（101）包括两块轴向充磁的永磁体，永磁体外圆嵌套导磁套筒（103），所述动子磁轭（102）安装在推杆（6）上，所述推杆（6）一端安装轴承，所述轴承安装在所述活塞（5）上的轴承座（502）内，所述活塞（5）与所述下壳体（1）构成阻尼腔（221），所述阻尼腔（221）底部有磁流阀（21），所述阻尼腔（221）内有磁流体（13），所述活塞（5）上安装密封圈（501），所述活塞（5）与所述上壳体（2）构成伸缩腔（222），所述伸缩腔（222）上安装气门（20）；所述磁流阀（21）和气门（20）为双向阀门，所述下壳体（1）和上壳体（2）通过法兰连接，连接面上安装密封油环，所述推杆（6）为阶梯轴，轴肩部位安装复位弹簧（15），所述磁流阀（21）通过管路与油箱（12）连接。

2.根据权利要求1所述一种耦合式立柱电机，其特征在于，所述上壳体（2）上安装旋转电机（3），所述旋转电机（3）包括定子（9）和转子（11），所述定子（9）由铁芯和矩形线圈组成，所述铁芯由硅钢片经过冲模后叠压焊接而成，所述转子（11）由转子磁轭（111）和转子磁石（112）组成，所述转子磁石（112）为矩形弧面永磁体，所述转子磁轭（111）内穿过推杆花键轴（601），所述推杆花键轴（601）能够在所述转子磁轭（111）内做轴向运动，所述转子磁轭（111）与所述旋转电机（3）的机壳之间安装端面辊子轴承。

3.根据权利要求2所述一种耦合式立柱电机，其特征在于，所述推杆（6）一端安装主动锥齿轮（17），所述主动锥齿轮（17）安装在变速箱（4）内，所述变速箱（4）内安装从动锥齿轮（19），所述从动锥齿轮（19）上安装输出轴（18），所述输出轴（18）安装在床体（24）的两侧。

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