CN113300570B - 一种改进型halbach磁力丝杠及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改进型halbach磁力丝杠及其安装方法，磁力丝杠包括：转子转轴和转子永磁体组成的转子、动子轭铁和动子永磁体组成的动子，所述转子和动子的相对位移为零，转子和动子为正对位置时出力和转矩均为零，当转子和动子相对位移为半个极距时出力最大；本发明磁力丝杠实现了旋转运动和直线运动的无接触转换，避免了设备磨损带来的维护问题，并提高了其出力和力密度；通过连接部件降低了动子轭铁和动子永磁体之间的难固定，转子转轴和转子永磁体之间的难固定，以及转子永磁体之间、动子永磁体之间的相对位移差等问题，提高了整个装置的相对平衡，从而减少能量的损耗。

Description

一种改进型halbach磁力丝杠及其安装方法

技术领域

本发明涉及磁力丝杠领域，具体是一种改进型halbach磁力丝杠及其安装方法。

背景技术

磁力丝杠作为机械丝杠的一种变形，具有高力密度、无接触、维护简单等特点，能够通过磁耦合无接触的将旋转运动与直线运动相互转化。因此，目前在人工心脏、波浪发电等领域具有很好的应用前景。目前对其的研究较多是径向充磁的、永磁体为矩形的结构，而这种结构存在加工难、安装误差大等问题。

文献IEEE Transactions on Industrial Electronics，67(11)：9582-9592，2020(Magnetic Design Aspects of the Trans-Rotary Magnetic Gear Using Quasi-Halbach Arrays)介绍了一种采用近似halbach充磁阵列的永磁式磁力丝杠，并对永磁体结构进行了优化。虽然这种结构和充磁方式能够一定程度上的提高出力和力密度，但是因为采用分段式圆弧永磁体，安装难度加大同时分块永磁体之间容易出现位移差，也就是拼接精度低。

除此以外，还有磁阻式磁力丝杠，这种磁力丝杠的出力仅为永磁式的四分之一，虽然因为只有转子或者动子上贴永磁体，加工和安装难度下降一半，但是依然存在加工复杂度高和拼接精度低等特点。因此，采用有效的方法解决螺旋永磁体的等效和磁力丝杠的组装就具有重要的意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进型halbach磁力丝杠及其安装方法，通过改进型halbach充磁阵列及永磁体结构来提高磁力丝杠的出力和力密度；通过改进型halbach充磁阵列及永磁体结构来降低安装和加工的难度；通过钢轭槽来安装永磁体，降低拼接永磁体带来的误差。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种改进型halbach磁力丝杠，磁力丝杠包括：转子转轴和转子永磁体组成的转子、动子轭铁和动子永磁体组成的动子，所述转子和动子的相对位移为零，转子和动子为正对位置时出力和转矩均为零，当转子和动子相对位移为半个极距时出力最大；

所述转子永磁体之间、动子永磁体之间无相对位移差；

所述动子轭铁和转子转轴之间同轴并且之间具有气隙，动子轭铁的内表面和转子转轴的外表面分别设有动子永磁体和转子永磁体，动子永磁体和转子永磁体均包括轴向充磁的第一轴向永磁体和第二轴向永磁体以及径向充磁的第一径向永磁体和第二径向永磁体，第一轴向永磁体、第二轴向永磁体、第一径向永磁体和第二径向永磁体均为螺旋结构，产生螺旋型磁场，通过磁场耦合将直线运动和旋转运动相互转换；

所述转子转轴外表面、动子轭铁内表面、第一轴向永磁体、第二轴向永磁体、第一径向永磁体和第二径向永磁体上均设有连接部件，转子转轴/动子轭铁、第一轴向永磁体、第二轴向永磁体、第一径向永磁体和第二径向永磁体彼此之间均采用连接部件进行固定。

进一步的，所述第一径向永磁体和第二径向永磁体之间形成放置槽，相邻分两个放置槽内分别放置第一轴向永磁体和第二轴向永磁体。

进一步的，所述转子转轴和动子轭铁均为具备刚度的导磁性材料，动子永磁体和转子永磁体采用改进型halbach充磁方式。

进一步的，所述连接部件包括凸起部件以及与凸起部件配合的钢轭槽，连接部件为螺旋结构。

进一步的，所述凸起部件与钢轭槽均为螺旋结构，通过螺旋型钢轭槽来确保永磁体安装在转子转轴和动子轭铁上时不会有相对位移差。

进一步的，所述第一轴向永磁体和第二轴向永磁体为矩形，第一径向永磁体和第二径向永磁体为凸极形状。

进一步的，所述第一轴向永磁体、第二轴向永磁体、第一径向永磁体和第二径向永磁体的永磁体材料为钕/铁/硼制成。

进一步的，其特征在于，所述转子永磁体和动子永磁体的弧度为15°/30°/45°/60°。

进一步的，所述转子永磁体和动子永磁体采用分块安装。

进一步的，所述转子永磁体和动子永磁体采用180°环型安装。

本发明的有益效果：

1、本发明磁力丝杠实现了旋转运动和直线运动感的无接触转换，避免了设备磨损带来的维护问题，并提高了其出力和力密度；

2、本发明磁力丝杠通过连接部件降低了动子轭铁和动子永磁体之间的难固定，转子转轴和转子永磁体之间的难固定，以及转子永磁体之间、动子永磁体之间的相对位移差等问题，提高了整个装置的相对平衡，从而减少能量的损耗。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明磁力丝杠结构示意图；

图2是本发明磁力丝杠俯视图；

图3是本发明磁力丝杠剖视图；

图4是本发明磁力丝杠工作原理图；

图5是本发明磁力丝杠工作原理图；

图6是本发明永磁体的弧度为15°时磁力丝杠结构示意图；

图7是本发明磁力丝杠部分结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种改进型halbach磁力丝杠，磁力丝杠包括：转子转轴2和转子永磁体组成的转子、动子轭铁1和动子永磁体组成的动子，转子转轴2和动子轭铁1均为具备一定刚度的导磁性材料，动子永磁体和转子永磁体采用改进型halbach充磁方式；转子永磁体之间、动子永磁体之间无相对位移差，永磁体易于安装和固定，装置便于维护。

如图1、图2和图3所示，动子轭铁1和转子转轴2之间同轴并且之间具有气隙，动子轭铁1的内表面和转子转轴2的外表面分别设有动子永磁体和转子永磁体，动子永磁体和转子永磁体均包括轴向充磁的第一轴向永磁体31和第二轴向永磁体32以及径向充磁的第一径向永磁体33和第二径向永磁体34，第一轴向永磁体31、第二轴向永磁体32、第一径向永磁体33和第二径向永磁体34均为螺旋结构，第一径向永磁体33和第二径向永磁体34之间形成放置槽，相邻分两个放置槽内分别放置第一轴向永磁体31和第二轴向永磁体32。

第一轴向永磁体31和第二轴向永磁体32为矩形，第一径向永磁体33和第二径向永磁体34为凸极形状。

第一轴向永磁体31、第二轴向永磁体32、第一径向永磁体33和第二径向永磁体34均采用性能好的永磁体材料，例如钕、铁、硼等。

转子转轴2外表面、动子轭铁1内表面、第一轴向永磁体31、第二轴向永磁体32、第一径向永磁体33和第二径向永磁体34上均设有连接部件，如图6、图7所示，连接部件包括凸起部件以及与凸起部件配合的钢轭槽4，连接部件为螺旋结构，转子转轴2/动子轭铁1、第一轴向永磁体31、第二轴向永磁体32、第一径向永磁体33和第二径向永磁体34彼此之间均采用连接部件进行固定。

凸起部件与钢轭槽4均为螺旋结构，通过螺旋型钢轭槽4来确保永磁体安装在转子转轴2和动子轭铁1上时不会有相对位移差，同时永磁体之间的钢轭槽也会确保永磁体块之间固定稳定，进而减少能量的损耗和永磁体之间的磨损。

根据磁力丝杠的工作原理，由于转子和动子中的磁场均为螺旋型磁场，所以通过磁场耦合可以将直线运动和旋转运动相互转换。如图4和图5所示，为磁力丝杠的工作原理图。转子转轴2上的转子永磁体产生的磁通经过气隙进入动子永磁体再从相邻的永磁体中穿出，在经过气隙回到转子转轴2上的相邻永磁体中。图4中转子和动子的相对位移为零，即两者为正对位置时，此时出力和转矩均为零，当转子和动子相对位移为半个极距时，此时出力最大。

所述转子永磁体和动子永磁体的结构和充磁方式同样适用于磁阻式磁力丝杠和感应式磁力丝杠的永磁体结构。

转子永磁体和动子永磁体的加工形状为了模拟螺旋型磁极，这里采用永磁体分块安装，可以是15°、30°、45°、60°等弧度永磁块，也可以采用180°环型安装。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种改进型halbach磁力丝杠，磁力丝杠包括：转子转轴（2）和转子永磁体组成的转子、动子轭铁（1）和动子永磁体组成的动子，其特征在于，所述转子和动子的相对位移为零，转子和动子为正对位置时出力和转矩均为零，当转子和动子相对位移为半个极距时出力最大；

所述转子永磁体之间、动子永磁体之间无相对位移差；

所述动子轭铁（1）和转子转轴（2）之间同轴并且之间具有气隙，动子轭铁（1）的内表面和转子转轴（2）的外表面分别设有动子永磁体和转子永磁体，动子永磁体和转子永磁体均包括轴向充磁的第一轴向永磁体（31）和第二轴向永磁体（32）以及径向充磁的第一径向永磁体（33）和第二径向永磁体（34），第一轴向永磁体（31）、第二轴向永磁体（32）、第一径向永磁体（33）和第二径向永磁体（34）均为螺旋结构，产生螺旋型磁场，通过磁场耦合将直线运动和旋转运动相互转换；

所述转子转轴（2）外表面、动子轭铁（1）内表面、第一轴向永磁体（31）、第二轴向永磁体（32）、第一径向永磁体（33）和第二径向永磁体（34）上均设有连接部件，转子转轴（2）、动子轭铁（1）、第一轴向永磁体（31）、第二轴向永磁体（32）、第一径向永磁体（33）和第二径向永磁体（34）彼此之间均采用连接部件进行固定；

所述连接部件包括凸起部件以及与凸起部件配合的钢轭槽（4），连接部件为螺旋结构；

所述第一轴向永磁体（31）和第二轴向永磁体（32）为矩形，第一径向永磁体（33）和第二径向永磁体（34）为凸极形状。

2.根据权利要求1所述的一种改进型halbach磁力丝杠,其特征在于，所述第一径向永磁体（33）和第二径向永磁体（34）之间形成放置槽，相邻分两个放置槽内分别放置第一轴向永磁体（31）和第二轴向永磁体（32）。

3.根据权利要求1所述的一种改进型halbach磁力丝杠,其特征在于，所述转子转轴（2）和动子轭铁（1）均为具备刚度的导磁性材料，动子永磁体和转子永磁体采用改进型halbach充磁方式。

4.根据权利要求1所述的一种改进型halbach磁力丝杠,其特征在于，所述凸起部件与钢轭槽（4）均为螺旋结构，通过螺旋型钢轭槽（4）来确保永磁体安装在转子转轴（2）和动子轭铁（1）上时不会有相对位移差。

5.根据权利要求1所述的一种改进型halbach磁力丝杠,其特征在于，所述第一轴向永磁体（31）、第二轴向永磁体（32）、第一径向永磁体（33）和第二径向永磁体（34）的永磁体材料为钕/铁/硼制成。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的改进型halbach磁力丝杠的安装方法,其特征在于，所述转子永磁体的弧度为15°、30°、45°或60°，所述动子永磁体的弧度为15°、30°、45°或60°。

7.根据权利要求6所述的安装方法,其特征在于，所述转子永磁体和动子永磁体采用分块安装。

8.根据权利要求6所述的安装方法,其特征在于，所述转子永磁体和动子永磁体采用180°环型安装。

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