CN117307647B - 一种磁弹簧装置及磁弹簧设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种磁弹簧装置及磁弹簧设计方法，磁弹簧装置包括第一磁钢组和第二磁钢组。第一磁钢组包括若干个第一磁钢；若干个第一磁钢绕第一轴线呈圆周均匀分布；第一磁钢沿轴向的总长度为；以第一轴线方向定义为轴向，垂直于轴向的方向为径向。第二磁钢组呈柱状沿其轴向的总长度为，，且第二磁钢组至少部分置于第一磁钢组内；第二磁钢组由至少两段轴向长度不同、轴向中心线重合且径向截面外形尺寸不同的磁钢部首尾依次对接组成；径向截面外形尺寸为磁钢部径向截面的直径或径向截面的外接圆直径。其中，第一磁钢和第二磁钢组的充磁方向都为径向充磁。本申请的磁弹簧装置能够在不增加磁弹簧长度的情况下增加其恒力行程。

Description

一种磁弹簧装置及磁弹簧设计方法

技术领域

本申请涉及集成电路装备制造技术领域，具体而言，涉及一种磁弹簧装置及磁弹簧设计方法。

背景技术

磁弹簧装置（或称恒力磁弹簧），属于完全无源器件，不需任何外部能量供应，比如液压、气压、电源等，即可实现恒力输出。在对系统安全系数要求高、需要恒定推力或者恒定拉伸等使用场合是理想选择，例如包括需要平稳拉伸和回收、平衡机构应用、拉伸负载应用、重力补偿和抵消、垂直保持等。因此，磁弹簧装置能够广泛应用于航空和国防、医疗器械、工业自动化、汽车工业、机床、数控系统、减震系统等工业场合。

随着工业自动化装备制造集成度逐步提高，在集成电路装备制造技术领域，对垂向运动机构的运动精度和运动行程的需求逐年增加。在一些集成电路装备制造工作台中，为了对运动部件进行重力补偿，通常采用机械弹簧或气缸等。机械弹簧刚度差，且力不恒定、只能在固定位置完美平衡重力。气缸需要外接气路，通过外部电源控制气压和气压差，无法解决断电部件跌落的问题。

磁弹簧装置（或称恒力磁弹簧），属于完全无源器件，不需任何外部能量供应，即可实现恒力输出。在对系统安全系数要求高、需要恒定推力或者恒定拉伸等使用场合是理想选择，包括需要平稳拉伸和回收、平衡机构应用、拉伸负载应用、重力补偿和抵消、垂直保持等。

对于磁弹簧来说，其在行程范围内输出力的波动相对较小，理论上磁弹簧的定子及动子在不限制长度尺寸的情况下，磁弹簧的行程可以无限大，但实际应用时定子及动子长度尺寸都会有限制。

因此，在一些使用场景中，假使安装空间有限，但是需要更长的恒力行程来实现力补偿。第一种解决方案中，可使用气缸等有源装置实现力补偿作用，以弥补安装空间受限的问题，但是有源装置无法实现断电跌落的问题。第二种解决方案中，增加安装空间，进而可以使用恒力行程更长的磁弹簧装置，缺点是磁弹簧装置占用空间大，不利于小型化和集成化的发展，并且磁弹簧装置运动初始和末端还会有相对较大的磁力波动，也限制了磁弹簧恒力行程的增加。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种磁弹簧装置及磁弹簧设计方法，其能够在不增加磁弹簧长度的情况下增加其恒力行程，满足一些特殊需求。

第一方面，本申请提供一种磁弹簧装置，包括第一磁钢组和第二磁钢组。第一磁钢 组包括若干个第一磁钢；若干个第一磁钢绕第一轴线呈圆周均匀分布；第一磁钢沿轴向的 总长度为；以第一轴线方向定义为轴向，垂直于轴向的方向为径向。第二磁钢组呈柱状 沿其轴向的总长度为，，且第二磁钢组至少部分置于第一磁钢组内；第二磁钢组 由至少两段轴向长度不同、轴向中心线重合且径向截面外形尺寸不同的磁钢部首尾依次对 接组成；径向截面外形尺寸为磁钢部径向截面的直径或径向截面的外接圆直径。其中，第一 磁钢和第二磁钢组的充磁方向都为径向充磁。

在一种可实施的方案中，相邻两个磁钢部分别为第个磁钢部和第个磁钢部，第个磁钢部比第个磁钢部更靠近第二磁钢组沿轴向的中间位置；第个磁钢部沿轴向的 长度小于第个磁钢部沿轴向的长度；第个磁钢部的径向截面外形尺寸大于第个磁钢 部的径向截面外形尺寸。

在一种可实施的方案中，第二磁钢组的磁钢部的数量为两个，分别为第一分段和 第二分段；第一分段沿轴向的长度为，第一分段的径向截面外形尺寸为；第二分段沿轴 向的长度为，第二分段的径向截面外形尺寸为；其中，，且。

在一种可实施的方案中，令，令；其中，的取值范围为 [0.135,0.255]，的取值范围为(1,1.141]。

在一种可实施的方案中，取值范围为[0.185,0.205]，的取值范围为[1.05, 1.091]。

在一种可实施的方案中，第二磁钢组的磁钢部数量为三个，分别为第一分段、第二 分段和第三分段，第一分段和第三分段将第二分段夹在中间；第一分段沿轴向的长度为， 第一分段的径向截面外形尺寸为；第二分段沿轴向的长度为，第二分段的径向截面外 形尺寸为；第三分段沿轴向的长度为，第三分段的径向截面外形尺寸为；其中，，，，且。

在一种可实施的方案中，令，令，令，令；其中，的取值范围为[0.135,0.255]，的取值范围为[0.7,1)，的取值范 围为(1,1.141]，的取值范围为(1,1.141]。

在一种可实施的方案中，的取值范围为[0.185,0.205]，的取值范围为[0.8, 0.9]，的取值范围为[1.05,1.091]，的取值范围为[1.05,1.091]。

在一种可实施的方案中，磁弹簧装置还包括导磁支架和承载支架。导磁支架呈前后贯穿的筒形结构，第一磁钢组安装于导磁支架的内壁，且导磁支架的轴线与第一轴线同线。承载支架的本体内设置有沿轴向方向延伸的容纳空腔，第二磁钢组置于容纳空腔内，承载支架至少部分置于导磁支架内，承载支架的轴向中心线与导磁支架的轴向中心线重合。

在一种可实施的方案中，承载支架包括筒形部和封闭盖，筒形部内设置有沿轴向延伸的延伸腔，延伸腔的一端设置有用于磁钢部进入的开口，封闭盖以可拆卸的方式与延伸腔的开口密封配合。

在一种可实施的方案中，承载支架包括固定环；在磁钢部的径向截面外形尺寸与容纳空腔的内壁有间隙时，固定环套设在当前磁钢部上，并置于磁钢部外壁与容纳空腔的内壁之间，以使当前磁钢部的轴向中心线与其它磁钢部的轴向中心线重合。

在一种可实施的方案中，磁弹簧装置包括第一配置结构和第二配置结构；在第一配置结构中，导磁支架的位置固定，承载支架处于悬浮状态；在第二配置结构中，导磁支架处于悬浮状态，承载支架的位置固定。

第二方面，本申请还提供一种磁弹簧设计方法，用于设计前述方案中的磁弹簧装置，设计方法包括如下步骤：

S1、搭建一磁弹簧装置模型；磁弹簧装置模型包括第一磁钢组和第二磁钢组；第一 磁钢组包括若干个第一磁钢；若干个第一磁钢绕第一轴线呈圆周均匀分布；第一磁钢围沿 轴向的总长度为；第二磁钢组呈柱状，沿轴向的总长度为，，并至少部分置于 第一磁钢组内；第一磁钢和第二磁钢组的充磁方向都为径向充磁且方向相同；

S2、将第二磁钢组划分为至少两段轴向长度不同、轴向中心线重合且径向截面外形尺寸不同的磁钢部；径向截面外形尺寸为磁钢部径向截面的直径或径向截面的外接圆直径；

S3、调整第二磁钢组的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系，并进行磁浮力仿真，得到磁浮力波形图；

S4、将磁浮力波形图中的恒力行程波形曲线满足预设期望值时对应的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系作为最终的设计参数，完成设计。

在一种可实施的方案中，步骤S2中，调整第二磁钢组的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系包括：

在第二磁钢组的所有磁钢部中，相邻两个磁钢部分别为第个磁钢部和第个磁 钢部，第个磁钢部被设计为比第个磁钢部更靠近第二磁钢组沿轴向的中间位置；

将第个磁钢部沿轴向的长度设计为小于第个磁钢部沿轴向的长度；

将第个磁钢部的径向截面外形尺寸设计为大于第个磁钢部的径向截面外形尺 寸。

在一种可实施的方案中，步骤S3中，调整第二磁钢组的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系包括：

将第二磁钢组划分为两个磁钢部，分别称为第一分段和第二分段；

第一分段沿轴向的长度为，第一分段的径向截面外形尺寸为；

第二分段沿轴向的长度为，第二分段的径向截面外形尺寸为；

其中，，且。

在一种可实施的方案中，调整第二磁钢组的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系包括：

将第二磁钢组划分为三个磁钢部，分别称为第一分段、第二分段和第三分段，使第一分段和第三分段将第二分段夹在中间；

第一分段沿轴向的长度为，第一分段的径向截面外形尺寸为；

第二分段沿轴向的长度为，第二分段的径向截面外形尺寸为；

第三分段沿轴向的长度为，第三分段的径向截面外形尺寸为；

其中，，，，且。

与现有技术相比，本申请的有益效果至少包括：本申请的磁弹簧装置，在不改变第一磁钢组和第二磁钢组整体长度的情况下，将第二磁钢组分为多段磁钢部，多段磁钢部的轴向长度不同、轴向中心线重合且径向截面外形尺寸不同，进而可以实现对磁弹簧装置运动行程初始和/或运动行程末尾的磁浮力波动的调整，从而可以使磁弹簧装置在不增加长度的情况下增加其恒力行程，从而使磁弹簧装置适用在安装空间受限且需要相对较长恒力行程的场景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为根据本申请实施例示出的一种第二磁钢组分为两段时的磁弹簧装置的结构图。

图2为根据本申请实施例示出的一种第二磁钢组分为两段时的磁弹簧装置的尺寸示意图。

图3为根据本申请实施例示出的一种第二磁钢组分为两段时的磁弹簧装置的电磁仿真图。

图4为根据本申请实施例示出的一种第二磁钢组分为三段时的磁弹簧装置的结构图。

图5为根据本申请实施例示出的一种第二磁钢组分为三段时的磁弹簧装置的尺寸示意图。

图6为根据本申请实施例示出的一种第二磁钢组分为三段时的磁弹簧装置的电磁仿真图。

图7为根据本申请实施例示出的磁弹簧装置的一种承载支架的结构图。

图8为根据本申请实施例示出的磁弹簧装置的一种承载支架的爆炸结构图。

图9为根据本申请实施例示出的磁弹簧装置的一种承载支架与第二磁钢组的配合结构图。

图10至图18为根据本申请实施例示出的磁弹簧装置的不同径向截面形状的结构示意图。

图19为根据本申请实施例示出的一种磁弹簧装置设计方法的流程图。

图中：10、第一磁钢；20、第二磁钢组；21、磁钢部；a、第一分段；b、第二分段；c、第三分段；30、导磁支架；40、承载支架；41、筒形部；411、延伸腔；42、封闭盖；43、容纳空腔；44、固定环。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1、图2、图4和图5所示，本申请受限提供一种磁弹簧装置，包括第一磁钢组和第二磁钢组20。定义图1及图4中的直线L为第一轴线方向，以第一轴线L的方向定义为轴向，垂直于轴向的方向为径向。

第一磁钢组包括若干个第一磁钢10，若干个第一磁钢10绕第一轴线L呈圆周均匀 分布，第一磁钢10沿轴向的总长度为。第二磁钢组20呈柱状，沿其轴向的总长度为，，且第二磁钢组20至少部分置于第一磁钢组内；第二磁钢组20由至少两段轴向长度 不同、轴向中心线重合且径向截面外形尺寸不同的磁钢部21首尾依次对接组成；径向截面 外形尺寸为磁钢部21径向截面的直径或径向截面的外接圆直径。其中，第一磁钢10和第二 磁钢组20的充磁方向都为径向充磁。在工作状态下，第二磁钢组20的轴线与第一磁钢组的 轴线是基本重合的。

需要说明的是，当磁钢部21的径向截面为圆形时，径向截面外形尺寸则指磁钢部21的径向截面的圆形的直径。当磁钢部21的径向截面不为圆形，而是多边形时，径向截面外形尺寸则指磁钢部21的径向截面的多边形的外接圆。

在本申请的磁弹簧装置中，磁弹簧装置可以包括第一配置结构和第二配置结构。在第一配置结构中，第一磁钢组固定作为定子，使第二磁钢组20活动作为动子。在第二配置结构中，第二磁钢组20固定作为定子，使第一磁钢组活动作为动子。

本申请的磁弹簧装置，在不改变第一磁钢组和第二磁钢组20整体长度的情况下，将第二磁钢组20分为多段磁钢部21，多段磁钢部21的轴向长度不同、轴向中心线重合且径向截面外形尺寸不同，进而可以实现对磁弹簧装置运动行程初始和/或运动行程末尾的磁浮力波动的调整，从而可以使磁弹簧装置在不增加长度的情况下增加其恒力行程，从而使磁弹簧装置适用在安装空间受限且需要相对较长恒力行程的场景。

如图2和图5所示，将相邻两个磁钢部21分别定义为第个磁钢部21和第个磁钢 部21，第个磁钢部21比第个磁钢部21更靠近第二磁钢组20沿轴向的中间位置，第个磁 钢部21沿轴向的长度小于第个磁钢部21沿轴向的长度，第个磁钢部21的径向截面外形 尺寸大于第个磁钢部21的径向截面外形尺寸。在前述磁钢部21的结构配置后，进而可以 调节并降低磁弹簧装置行程初始阶段和/或行程末尾阶段的磁浮力波动，进而使整体的恒 力行程增加。

如图19所示，本申请还提供一种前述磁弹簧装置的设计方法，该设计方法包括如下步骤：

S1、搭建起一磁弹簧装置模型。磁弹簧装置模型包括第一磁钢组和第二磁钢组；第 一磁钢组包括若干个第一磁钢；若干个第一磁钢绕第一轴线呈圆周均匀分布；第一磁钢围 沿轴向的总长度为；第二磁钢组呈柱状，沿轴向的总长度为，，并至少部分置 于第一磁钢组内；第一磁钢和第二磁钢组的充磁方向都为径向充磁且方向相同；

S2、将第二磁钢划分为至少两段轴向长度不同、轴向中心线重合且径向截面外形尺寸不同的磁钢部；径向截面外形尺寸为磁钢部径向截面的直径或径向截面的外接圆直径；

S3、调整第二磁钢组的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系，并进行磁浮力仿真，得到磁浮力波形图；

S4、将磁浮力波形图中的恒力行程波形曲线满足预设期望值时对应的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系作为最终的设计参数，完成设计。恒力行程波形曲线是指在磁弹簧装置整个运动行程中，磁浮力波动曲线处于被允许的波动范围内的磁浮力波形曲线。

在本申请的磁弹簧装置的设计方案中，步骤S2中，调整第二磁钢组的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系包括：

在第二磁钢组的所有磁钢部中，相邻两个磁钢部分别为第个磁钢部和第个磁 钢部，第个磁钢部被设计为比第个磁钢部更靠近第二磁钢组沿轴向的中间位置；

将第个磁钢部沿轴向的长度设计为小于第个磁钢部沿轴向的长度；

将第个磁钢部的径向截面外形尺寸设计为大于第个磁钢部的径向截面外形尺 寸。

为了对本申请的磁弹簧装置的结构和工作原理、以及磁弹簧装置的设计方法进行更详细的阐述，本申请提供以下几个实施例。需要说明的是，以下实施例在不冲突的前提下，各实施例中的技术特征及技术方案可以相互结合使用。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种磁弹簧装置，包括第一磁钢组和第二磁钢组 20。第一磁钢组包括两个第一磁钢10，两个第一磁钢10绕第一轴线L呈圆周均匀分布（或称 两个第一磁钢10关于第一轴线L所在一平面呈镜像分布），第一磁钢10沿轴向的总长度为。第二磁钢组20呈柱状，沿其轴向的总长度为，，且第二磁钢组20至少部分置 于第一磁钢组内；第二磁钢组20至少由两段轴向长度不同、轴向中心线重合且径向截面外 形尺寸不同的磁钢部21首尾依次对接组成；径向截面外形尺寸为磁钢部21径向截面的直径 或径向截面的外接圆直径。

其中，第一磁钢10和第二磁钢组20的充磁方向都为径向。在工作状态下，第二磁钢组20的轴线与第一磁钢组的轴线是基本重合的。

在本实施例中，如图1所示，磁弹簧装置还可以包括导磁支架30和承载支架40。导磁支架30呈前后贯穿的筒形结构，第一磁钢组安装于导磁支架30的内壁，且导磁支架30的轴线与第一轴线L同线。承载支架40本体内设置有沿轴向方向延伸的容纳空腔43，第二磁钢组20置于容纳空腔43内，承载支架40至少部分置于导磁支架30内，承载支架40的轴向中心线与导磁支架30的轴向中心线重合。

在本实施例中，以第二磁钢组20为动子，以第一磁钢组为定子，第二磁钢组20和第一磁钢组一般采用永磁材料制作。

在本实施例中，如图10所示，第二磁钢组20的外壁始终与第一磁钢10内壁之间具有预定间隙M1，从而防止第一磁钢10内壁与第二磁钢组20的外壁由于磁力互相吸引接触，导致作为动子的部分无法移动。

进一步地，如图10所示，承载支架40的外壁与第一磁钢10的内壁具有预定间隙M2，防止第一磁钢10内壁与第二磁钢组20的外壁由于磁力互相吸引，进而导致承载支架40的外壁与第二磁钢组20的外壁接触，进而导致作为动子的部分无法移动。预定间隙M2的取值一般不作特殊要求，M2可以在0.5mm及以上取值，本实施例中的M2约为1mm左右。

在本实施例中，如图7和图8所示，承载支架40可以包括筒形部41和封闭盖42，筒形部41内设置有沿轴向延伸的延伸腔411，延伸腔411的一端设置有用于磁钢部21进入的开口，封闭盖42以可拆卸的方式与延伸腔411的开口密封配合。可拆卸的承载支架40方便多个磁钢部21的装配和安装。

在本实施例中，如图9所示，承载支架40还可以包括固定环44；在磁钢部21的径向截面外形尺寸与容纳空腔43的内壁有间隙时，固定环44套设在当前磁钢部21上，并置于磁钢部21外壁与容纳空腔43的内壁之间，以使当前磁钢部21的轴向中心线与其它磁钢部21的轴向中心线重合，进而保证分段组装后的多个磁钢部21的同轴度，也能相应的保证第二磁钢组20相对于第一磁钢组的同轴度。

需要说明的是，参见图10至图13所示，第一磁钢10和第二磁钢组20的充磁方向都为径向充磁且方向相同，磁通量从第一磁钢组中沿与轴向成直角的方式进入作为导磁的导磁支架30，然后被引导从导磁支架30出来后，再回到第一磁钢组中，以此给处于第一磁钢组中的第二磁钢组20提供磁浮力。

在本实施例中，用于安装第一磁钢组的导磁支架30可以是径向截面外形为圆形的筒体结构，也可以是径向截面外形为多边形的筒体结构，前文中的第一轴线L即筒体结构沿轴向延伸的中心线。例如图10至图13所示，导磁支架30的径向截面外形可以为圆形。又如图14至图16所示，导磁支架30的径向截面外形可以为正方形或长方形。再如图17和图18所示，导磁支架30的径向截面外形可以为正六边形、菱形等。

此外，如图11-图13，以及如图15-图17所示，导磁支架30内腔的径向截面形状可以为圆形。如图14和图18所示，导磁支架30内腔的径向截面形状可以为正方形、长方形或菱形。

需要说明的是，对于图10至图18所示的导磁支架30的径向截面形状，关于第二轴线H呈对称分布。例如，如图14所示，第二轴线H穿过两个第一磁钢10和第二磁钢组20的中心，对于其它形状的导磁支架30也同样适用。

在本实施例中，如图10、图11、图12和图13所示，第一磁钢10的数量可以为两个，两个第一磁钢10的形状相同。从布置位置上来看，两个第一磁钢10关于第一轴线L所在一平面呈镜像分布，也即等同于两个第一磁钢10围绕第一轴线L呈圆周均匀分布。

如图12和图13所示，每个第一磁钢10的内壁可以为平面内壁，呈镜像分布的两个第一磁钢10的平面内壁相互平行。

如图10和图11所示，每个第一磁钢10的内壁可以为弧形面，呈镜像分布的两个第一磁钢10的弧形面围成圆筒形内壁。

如图10和图12所示，第二磁钢组20的径向截面形状可以为圆形。如图11和图13所示，第二磁钢组20的径向截面形状可以为多边形。

在本实施例中，截面形状为多边形的第二磁钢组20可以降低各部件的集成难度，同时呈镜像分布的两个第一磁钢10的平面内壁相互平行也可以降低集成难度。

在一种较为优选的方案中，如图10和图11所示，当每个第一磁钢10的内壁为弧形面，呈镜像分布的两个第一磁钢10的弧形面围成圆筒形内壁时，对应的内部的承载支架40的外形优选为圆柱形，承载支架40内部的第二磁钢组20的径向截面形状可以为圆形，也可以为多边形。

在另一种较为优选的方案中，如图10和图11所示，当每个第一磁钢10的内壁为平面内壁，呈镜像分布的两个第一磁钢10的平面内壁相互平行时，对应的内部的承载支架40的外形为棱柱形，并且具有分别与两个第一磁钢10的平面内壁相平行的表面，并且承载支架40内部的第二磁钢组20的径向截面形状可以为圆形，也可以为多边形。

在本实施例中，在第一磁钢组的两个第一磁钢10中，两个第一磁钢 10 相对的一侧的极性相反。

为方便说明，设定两个第一磁钢10相对的一侧为内侧，相背离的一侧为外侧。其中一个第一磁钢10称为第一单元，另一个第一磁钢10称为第二单元。即，其中第一单元内部的磁感线方向为沿径向且由第一单元外侧指向第一单元内侧，第二单元内部的磁感线方向为沿径向且由其第二单元的内侧指向第二单元外侧。

也即，第一单元和第二单元形成的磁感线，会沿径向由第一单元的外侧向第一单元的内侧穿过第一单元，经过第二磁钢组20后，再沿径向由第二单元的内侧向第二单元的外侧，并穿出第二单元，之后磁感线再回到第一单元的外侧，形成一个磁感线闭环。

为了使充磁方向为径向且两个第一磁钢 10 相对的一侧的极性相反，所以，即使两个第一磁钢10的形状相同，但它们的N极和S极的位置会有差异，具体参见下文。

例如，如图10和图11所示，两个第一磁钢10的内外侧都是弧形，两个第一磁钢10内部的磁感线也都沿径向，但是两个第一磁钢10的N极和S极的位置不同。其中，上侧第一磁钢10的凹端与下侧第一磁钢10的凹端为相对侧，上侧第一磁钢10的凸端与下侧第一磁钢10的凸端为背离侧。对于处于上侧的第一磁钢10，第一磁钢10的凹端为S极，凸端为N极，第一磁钢10内部的磁感线为由凹端向凸端。对于处于下侧的第一磁钢10，第一磁钢10的凹端为N极，凸端为S极，第一磁钢10内部的磁感线为由凸端向凹端。

又如，如图12和图13所示，两个第一磁钢10的一侧是凸端，一侧是平面端，两个第一磁钢10内部的磁感线也都沿径向，但是N极和S极的位置不同。其中，上侧第一磁钢10的平面端与下侧第一磁钢10的平面端为相对侧，上侧第一磁钢10的凸端与下侧第一磁钢10的凸端为背离侧。对于处于上侧的第一磁钢10，第一磁钢10的平面端为S极，凸端为N极，第一磁钢10内部的磁感线为由平面端向凸端。对于处于下侧的第一磁钢10，第一磁钢10的平面端为N极，凸端为S极，第一磁钢10内部的磁感线为由凸端向平面端。

再如，如图14所示，两个第一磁钢10的截面相同，都为长方形，因此两个第一磁钢10的结构可以完全相同，N及和S极对应的端面都为平面，但是在安装后，上下两个第一磁钢10相对的一侧极性相反，以确保两个第一磁钢的充磁方向都沿径向且内部磁感线的朝向相同。

在本实施例中，如图2所示，第二磁钢组20的磁钢部21的数量为两个，分别为第一 分段a和第二分段b。第一分段a沿轴向的长度为，第一分段a的径向截面外形尺寸为。第 二分段b沿轴向的长度为，第二分段b的径向截面外形尺寸为。其中，，且。

在图2所示的磁弹簧装置中，第二磁钢组20的第一分段a位于第二分段b的左侧，并且第一分段a沿轴向的长度较短且其径向截面外形尺寸大于第二分段b的径向截面外形尺寸。如图1所示，当作为动子的第二磁钢组20向左运动时，在第一分段a及第二分段b的结构影响下，在向左运动时行程初始阶段的磁浮力波动会下降，使行程初始阶段一部分的磁浮力大小和波动程度与原有恒力行程相接近，由此从运动行程的一侧增加磁弹簧装置的恒力行程。

在本实施例中，令，令；其中，的取值范围为[0.135, 0.255]，的取值范围为(1,1.141]。当、的取值在前述范围中时，对应的可以在磁弹簧 装置的运动行程初始阶段或运动行程末尾阶段增加恒力行程。

在本实施例进一步的方案中，取值范围为[0.185,0.205]，的取值范围为 [1.05,1.091]。对本取值范围内磁弹簧装置进行电磁仿真，得到如图3中所示的磁浮力波形 图中的波形曲线A1，并且本实施例也对第二磁钢组20未分段的磁弹簧装置进行了电磁仿 真，并得到图3中所示的磁浮力波形图中的波形曲线A2。需要说明的是，电磁仿真时，第二磁 钢组20向左运动，即如图1所示。

还需要说明的是，图3中的波形曲线A2对应的磁弹簧装置第二磁钢组20未分段，且第二磁钢组20的径向截面外形尺寸与本申请的第二分段b的径向截面外形尺寸相同，除前述特征以外，其它结构都与本实施例的磁弹簧装置相同，从而控制变量。

如图3所示，在4mm-57mm之间共53mm的行程范围内，取输出磁浮力幅值在-10.5N左右时，从波形曲线A2可以看出，磁弹簧装置的第二磁钢组20分段前的恒力行程约为26mm-49mm，共24mm，波动为0.94%。从波形曲线A1可以看出，本实施例的第二磁钢组20分成两段后的磁弹簧装置的恒力行程为15mm-49mm，共34mm，波动为0.92%。由此可以看出当磁浮力波动相近时，第二磁钢组20分成两段后的磁弹簧装置的运动行程的初始阶段磁浮力波动降低，使得第二磁钢组20分成两段后的磁弹簧装置的恒力行程相较于分段前增加了10mm。

此时，取45mm为恒力行程时，从波形曲线A2可以得出，第二磁钢组20未分段时的磁弹簧装置的最小磁浮力波动为15%左右，从波形曲线A1可以得出，第二磁钢组20分成两段后的磁弹簧装置的最小磁浮力波动在6.3%左右。由此可以看出当磁浮力行程相同时，第二磁钢组20分成两段后的磁浮力波动小于分段前。

实施例2

如图4和图5所示，本实施例也提供一种磁弹簧装置，与实施例1的不同之处在于：本实施例的磁弹簧装置的第二磁钢组20由三段轴向长度不同、轴向中心线重合且径向截面外形尺寸不同的磁钢部21首尾依次对接组成。

具体地，在本实施例中，如图5所示，第二磁钢组20的磁钢部21数量为三个，分别为 第一分段a、第二分段b和第三分段c，第一分段a和第三分段c将第二分段b夹在中间。第一分 段a沿轴向的长度为，第一分段a的径向截面外形尺寸为。第二分段b沿轴向的长度为 ，第二分段b的径向截面外形尺寸为。第三分段c沿轴向的长度为，第三分段c的径向截 面外形尺寸为。其中，，，，且。

在图2所示的磁弹簧装置中，第二磁钢组20的第一分段a和第三分段c分别位于第二分段b的左右两侧，并且第一分段a沿轴向的长度较短且其径向截面外形尺寸大于第二分段b的径向截面外形尺寸，第三分段c沿轴向的长度较短且其径向截面外形尺寸也大于第二分段b的径向截面外形尺寸。如图4所示，当作为动子的第二磁钢组20向左运动时，在第一分段a及第二分段b的结构影响下，在向左运动时行程初始阶段的磁浮力波动会下降，使行程初始阶段一部分的磁浮力大小和波动程度与原有恒力行程相接近，同时在向左运动时行程末尾阶段的磁浮力波动也会下降，使行程末尾阶段一部分的磁浮力大小和波动程度与原有恒力行程相接近，由此从运动行程的两侧增加磁弹簧装置的恒力行程。

在本实施例中，令，令，令，令； 其中，的取值范围为[0.135,0.255]，的取值范围为[0.7,1)，的取值范围为(1, 1.141]，的取值范围为(1,1.141]。当、、、的取值在前述范围中时，对应的可以 在磁弹簧装置的运动行程初始阶段和运动行程末尾阶段增加恒力行程。

在本实施例进一步的方案中，的取值范围为[0.185,0.205]，的取值范围为 [0.8,0.9]，的取值范围为[1.05,1.091]，的取值范围为[1.05,1.091]。对本取值范围 内磁弹簧装置进行电磁仿真，得到如图6中所示的磁浮力波形图中的波形曲线B1，并且本实 施例也对第二磁钢组20分两段的磁弹簧装置进行了电磁仿真，并得到图6中所示的磁浮力 波形图中的波形曲线B2。需要说明的是，电磁仿真时，第二磁钢组20向左运动，即如图4所 示。

还需要说明的是，图6中的波形曲线B2对应的磁弹簧装置第二磁钢组20分两段，包括短分段和长分段，短分段与本实施例的第一分段a的径向截面外形尺寸相同且轴向长度也相同，长分段与本实施例的第二分段b的径向截面外形尺寸相同，且长分段的轴向长度等于本实施例的第三分段c和第二分段b的长度之和，除前述特征以外，其它结构都与本实施例的磁弹簧装置相同，从而控制变量。

如图6所示，在9mm-54mm之间共45mm的行程范围内，取输出磁浮力幅值在-10.5N左右时，从波形曲线B2可以看出，第二磁钢组20分成两段后的磁弹簧装置的恒力行程约为8mm-50mm，共42mm，波动为2.5%。从波形曲线B1可以看出，本实施例的第二磁钢组20分成三段后的磁弹簧装置恒力行程为8mm-54mm，共46mm，波动为2.6%。由此可以看出当磁浮力波动相近时，第二磁钢组20分成三段后的磁弹簧装置的运动行程的初始阶段和末尾阶段的磁浮力波动都得以降低，使得第二磁钢组20分成三段后的磁弹簧装置相较于分成两段的磁弹簧装置的恒力行程增加了4mm。

此时，取45mm为恒力行程时，从波形曲线B2可以得出，第二磁钢组20分成两段后的磁弹簧装置的最小磁浮力波动为6.3%左右，从波形曲线B1可以看出，本实施例的第二磁钢组20分成三段后的磁弹簧装置的最小磁浮力波动在2.55%左右。由此可以看出当磁浮力行程相同时，第二磁钢组20分成三段后的磁浮力波动小于分成两段时。

需要说明的是，在实施例2的基础上，第二磁钢组20的第二分段b两侧的第一分段a和第三分段c还可以继续分段，从而进一步调节磁弹簧装置运动行程初始和/或末尾的磁浮力波动，进一步增加恒力行程。

实施例3

本实施例提供一种磁弹簧设计方法，可以用于设计实施例1中的磁弹簧装置，设计方法包括如下步骤：

S1、可以利用电磁仿真软件搭建起一磁弹簧装置模型；磁弹簧装置模型包括第一 磁钢组和第二磁钢组；第一磁钢组包括若干个第一磁钢；若干个第一磁钢绕第一轴线呈圆 周均匀分布；第一磁钢围沿轴向的总长度为；第二磁钢组呈柱状，沿轴向的总长度为，，并至少部分置于第一磁钢组内；第一磁钢和第二磁钢组的充磁方向都为径向充 磁；

S2、在电磁仿真软件中将第二磁钢组划分为至少两段轴向长度不同、轴向中心线重合且径向截面外形尺寸不同的磁钢部；径向截面外形尺寸为磁钢部径向截面的直径或径向截面的外接圆直径；

S3、在电磁仿真软件中调整第二磁钢组的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系，并进行磁浮力仿真，得到磁浮力波形图；

S4、将磁浮力波形图中的恒力行程波形曲线满足预设期望值时对应的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系作为最终的设计参数，完成设计。

在步骤S3中，调整第二磁钢组的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系包 括：将第二磁钢组划分为两个磁钢部，分别称为第一分段和第二分段。第一分段沿轴向的长 度为，第一分段的径向截面外形尺寸为；第二分段沿轴向的长度为，第二分段的径向 截面外形尺寸为；其中，，且。

进一步地，令，令；其中，取值范围为[0.185,0.205]，的取值范围为[1.05,1.091]。在前述、的取值范围内调整第二磁钢组的多个磁钢部 的长度比例关系和直径比例关系。

在步骤S4中，假设预设期望值为：当输出磁浮力幅值在-9N~-11N左右时，磁弹簧装置的恒力行程为30mm-37mm之间，磁浮力波动控制在0.95%以内。

假如在步骤S3中，经过电磁仿真后得到包含图3中波形曲线A1的磁浮力波形图。步骤S4中，对得到的磁浮力波形图进行计算判断，由图3的波形曲线A1可以得出，输出磁浮力幅值在-10.5N左右时，第二磁钢组20分成两段后的磁弹簧装置的恒力行程为15mm-49mm，共34mm，波动为0.92%。

由此可知，-10.5N在-9N~-11N之间，恒力行程34mm在30mm-37mm之间，波动为0.92%在0.95%以内，因此仿真得到的恒力行程波形曲线满足预设期望值，所以此时对应的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系作为最终的设计参数，完成设计。假使有任何一项不满足要求，都为不满足预设期望值，需要重新进行设计。

实施例4

本实施例也提供一种磁弹簧设计方法，与实施例3不同的是，本实施例的设计方法可以用于设计实施例2中的磁弹簧装置。

具体地，在本实施例中，步骤S3中，调整第二磁钢组的多个磁钢部的长度比例关系 和直径比例关系包括：将第二磁钢组划分为三个磁钢部，分别称为第一分段、第二分段和第 三分段，使第一分段和第三分段将第二分段夹在中间。其中，第一分段沿轴向的长度为， 第一分段的径向截面外形尺寸为；第二分段沿轴向的长度为，第二分段的径向截面外 形尺寸为；第三分段沿轴向的长度为，第三分段的径向截面外形尺寸为；其中，，，，且

进一步地，令，令，令，令；其 中，的取值范围为[0.185,0.205]，的取值范围为[0.8,0.9]，的取值范围为[1.05, 1.091]，的取值范围为[1.05,1.091]。在前述、、、的取值范围内调整第二磁钢 组的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系。

在步骤S4中，假设预设期望值为：当输出磁浮力幅值在-9N~-11N左右时，磁弹簧装置的恒力行程为43mm-47mm之间，磁浮力波动控制在3%以内。

假如在步骤S4中，经过电磁仿真后得到包含图6中波形曲线B1的磁浮力波形图。步骤S4中，对得到的磁浮力波形图进行计算判断，由图6的波形曲线B1可以得出，输出磁浮力幅值在-10.5N左右时，第二磁钢组20分成三段后的磁弹簧装置的恒力行程为8mm-54mm，共46mm，波动为2.6%。

由此可知，-10.5N在-9N~-11N之间，恒力行程46mm在43mm-47mm之间，波动为2.6%在3%以内，因此仿真得到的恒力行程波形曲线满足预设期望值，所以此时对应的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系作为最终的设计参数，完成设计。假使有任何一项不满足要求，都为不满足预设期望值，需要重新进行设计。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种磁弹簧装置，其特征在于，包括第一磁钢组和第二磁钢组（20）：

所述第一磁钢组包括若干个第一磁钢（10）；若干个所述第一磁钢（10）绕第一轴线呈圆周均匀分布；所述第一磁钢（10）沿轴向的总长度为；以所述第一轴线方向定义为轴向，垂直于轴向的方向为径向；

所述第二磁钢组（20）呈柱状，沿其轴向的总长度为，/>，且所述第二磁钢组（20）至少部分置于所述第一磁钢组内；所述第二磁钢组（20）由至少两段轴向长度不同、轴向中心线重合且径向截面外形尺寸不同的磁钢部（21）首尾依次对接组成；所述径向截面外形尺寸为所述磁钢部（21）径向截面的直径或径向截面的外接圆直径；

其中，所述第一磁钢（10）和所述第二磁钢组（20）的充磁方向都为径向充磁；

相邻两个所述磁钢部（21）分别为第个所述磁钢部（21）和第/>个所述磁钢部（21），第个所述磁钢部（21）比第/>个所述磁钢部（21）更靠近所述第二磁钢组（20）沿轴向的中间位置；

第个所述磁钢部（21）沿轴向的长度小于第/>个所述磁钢部（21）沿轴向的长度；

第个所述磁钢部（21）的径向截面外形尺寸大于第/>个所述磁钢部（21）的径向截面外形尺寸。

2.根据权利要求1所述的磁弹簧装置，其特征在于，所述第二磁钢组（20）的所述磁钢部（21）的数量为两个，分别为第一分段（a）和第二分段（b）；

所述第一分段（a）沿轴向的长度为，所述第一分段（a）的径向截面外形尺寸为/>；

所述第二分段（b）沿轴向的长度为，所述第二分段（b）的径向截面外形尺寸为/>；

其中，，/>且/>。

3.根据权利要求2所述的磁弹簧装置，其特征在于，令，令/>；

其中，的取值范围为[0.135,0.255]，/>的取值范围为(1,1.141]。

4.根据权利要求3所述的磁弹簧装置，其特征在于，取值范围为[0.185,0.205]，/>的取值范围为[1.05,1.091]。

5.根据权利要求1所述的磁弹簧装置，其特征在于，所述第二磁钢组（20）的所述磁钢部（21）数量为三个，分别为第一分段（a）、第二分段（b）和第三分段（c），所述第一分段（a）和所述第三分段（c）将所述第二分段（b）夹在中间；

所述第一分段（a）沿轴向的长度为，所述第一分段（a）的径向截面外形尺寸为/>；

所述第二分段（b）沿轴向的长度为，所述第二分段（b）的径向截面外形尺寸为/>；

所述第三分段（c）沿轴向的长度为，所述第三分段（c）的径向截面外形尺寸为/>；

其中，，/>，/>，/>且/>。

6.根据权利要求5所述的磁弹簧装置，其特征在于，令，令/>，令，令/>；

其中，的取值范围为[0.135,0.255]，/>的取值范围为[0.7,1)，/>的取值范围为(1,1.141]，/>的取值范围为(1,1.141]。

7.根据权利要求6所述的磁弹簧装置，其特征在于，的取值范围为[0.185,0.205]，/>的取值范围为[0.8,0.9]，/>的取值范围为[1.05,1.091]，/>的取值范围为[1.05,1.091]。

8.根据权利要求1所述的磁弹簧装置，其特征在于，所述磁弹簧装置还包括：

导磁支架（30），呈前后贯穿的筒形结构，所述第一磁钢组安装于所述导磁支架（30）的内壁，且所述导磁支架（30）的轴线与所述第一轴线同线；

承载支架（40），其本体内设置有沿轴向方向延伸的容纳空腔（43），所述第二磁钢组（20）置于所述容纳空腔（43）内，所述承载支架（40）至少部分置于所述导磁支架（30）内，所述承载支架（40）的轴向中心线与所述导磁支架（30）的轴向中心线重合。

9.根据权利要求8所述的磁弹簧装置，其特征在于，所述承载支架（40）包括筒形部（41）和封闭盖（42），所述筒形部（41）内设置有沿轴向延伸的延伸腔（411），所述延伸腔（411）的一端设置有用于所述磁钢部（21）进入的开口，所述封闭盖（42）以可拆卸的方式与所述延伸腔（411）的开口密封配合。

10.根据权利要求8所述的磁弹簧装置，其特征在于，所述承载支架（40）包括固定环（44）；在所述磁钢部（21）的径向截面外形尺寸与所述容纳空腔（43）的内壁有间隙时，所述固定环（44）套设在当前所述磁钢部（21）上，并置于所述磁钢部（21）外壁与所述容纳空腔（43）的内壁之间，以使当前所述磁钢部（21）的轴向中心线与其它所述磁钢部（21）的轴向中心线重合。

11.根据权利要求8所述的磁弹簧装置，其特征在于，所述磁弹簧装置包括第一配置结构和第二配置结构；

在第一配置结构中，所述导磁支架（30）的位置固定，所述承载支架（40）处于悬浮状态；

在第二配置结构中，所述导磁支架（30）处于悬浮状态，所述承载支架（40）的位置固定。

12.一种磁弹簧设计方法，其特征在于，用于设计如权利要求1-11中任一项所述的磁弹簧装置，设计方法包括如下步骤：

S1、搭建一磁弹簧装置模型；所述磁弹簧装置模型包括第一磁钢组和第二磁钢组；所述第一磁钢组包括若干个第一磁钢；若干个第一磁钢绕第一轴线呈圆周均匀分布；第一磁钢围沿轴向的总长度为；第二磁钢组呈柱状，沿轴向的总长度为/>，/>，并至少部分置于第一磁钢组内；第一磁钢和第二磁钢组的充磁方向都为径向充磁；

S2、将所述第二磁钢组划分为至少两段轴向长度不同、轴向中心线重合且径向截面外形尺寸不同的磁钢部；径向截面外形尺寸为磁钢部径向截面的直径或径向截面的外接圆直径；

S3、调整第二磁钢组的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系，并进行磁浮力仿真，得到磁浮力波形图；

S4、将磁浮力波形图中的恒力行程波形曲线满足预设期望值时对应的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系作为最终的设计参数，完成设计；

步骤S2中，调整第二磁钢组的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系包括：

在所述第二磁钢组的所有磁钢部中，相邻两个磁钢部分别为第个磁钢部和第/>个磁钢部，第/>个磁钢部被设计为比第/>个磁钢部更靠近第二磁钢组沿轴向的中间位置；

将第个磁钢部沿轴向的长度设计为小于第/>个磁钢部沿轴向的长度；

将第个磁钢部的径向截面外形尺寸设计为大于第/>个磁钢部的径向截面外形尺寸。

13.根据权利要求12所述的磁弹簧设计方法，其特征在于，步骤S3中，调整第二磁钢组的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系包括：

将所述第二磁钢组划分为两个磁钢部，分别称为第一分段和第二分段；

第一分段沿轴向的长度为，第一分段的径向截面外形尺寸为/>；

第二分段沿轴向的长度为，第二分段的径向截面外形尺寸为/>；

其中，，/>且/>。

14.根据权利要求12所述的磁弹簧设计方法，其特征在于，步骤S3中，调整第二磁钢组的多个磁钢部的长度比例关系和直径比例关系包括：

将所述第二磁钢组划分为三个磁钢部，分别称为第一分段、第二分段和第三分段，使第一分段和第三分段将第二分段夹在中间；

第一分段沿轴向的长度为，第一分段的径向截面外形尺寸为/>；

第二分段沿轴向的长度为，第二分段的径向截面外形尺寸为/>；

第三分段沿轴向的长度为，第三分段的径向截面外形尺寸为/>；

其中，，/>，/>，/>且/>。