專利名稱：非接觸磁動、磁約束機(jī)構(gòu)的制作方法
涉及領(lǐng)域 機(jī)械動力與機(jī)械傳動、儀器儀表與自動控制、開關(guān)閥門與檢測器件、磁性材料與電工學(xué)應(yīng)用技術(shù)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本發(fā)明是基于高性能磁性材料及其成型工藝出現(xiàn)和完善，使得理論與應(yīng)用得以結(jié)合。在此之前尚未發(fā)現(xiàn)將此原理應(yīng)用于本發(fā)明所涉及的電磁動力和磁性約束機(jī)構(gòu)，包括設(shè)備、裝置和器件。
發(fā)明目的 提供一種電磁動力與傳動的工作方式和磁性約束方式，以及由此方式導(dǎo)出的機(jī)構(gòu)基本構(gòu)造，并使其在機(jī)械動力與機(jī)械傳動、儀器儀表與自動控制、開關(guān)閥門與檢測器件、磁性材料與電工學(xué)應(yīng)用技術(shù)等領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
1.主動式非接觸磁動、磁約束機(jī)構(gòu)基本構(gòu)造螺線管+磁芯。螺線管是由導(dǎo)電材料和其它材料制作的電磁感應(yīng)元件，磁芯是具有永磁特性的磁性感應(yīng)元件。螺線管是套在磁芯的外面，磁芯與螺線管在電的作用下，可以在其共同的中軸線上相對平移或相互約束(圖1)。
基本工作原理螺線管通入電流后，在其管內(nèi)產(chǎn)生一個磁場，該磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度、方向與螺線管的線圈匝數(shù)、線圈密度、通入的電流強(qiáng)度、電流方向等有關(guān)。螺線管磁場的出現(xiàn)必將影響并作用套在管內(nèi)的磁芯，如果這個作用足夠大，它將引起螺線管與磁芯之間的相對位移或相互約束(1)當(dāng)螺線管內(nèi)磁場方向與磁芯內(nèi)磁場方向一致時，相互之間受吸引力作用，管內(nèi)有一個最佳的力平衡點，兩者將相對平移到該位置并保持約束在該位置的狀態(tài)；(2)當(dāng)螺線管內(nèi)磁場方向與磁芯內(nèi)磁場方向相反時，相互之間受排斥力作用，力平衡點在管外，兩者將相對平移到其中的一個平衡點并保持約束在該位置的狀態(tài)；(3)當(dāng)螺線管內(nèi)磁場方向與磁芯內(nèi)磁場方向交替變化時，相互之間產(chǎn)生交替的吸引—排斥作用，它們將沿著中軸線來回作往復(fù)運動。固定螺線管，則磁芯運動；固定磁芯，則螺線管運動。螺線管與磁芯之間無直接接觸，力的傳遞是通過螺線管的電磁場和磁芯的固有磁場來實現(xiàn)的，工作中兩者完全處于磁浮狀態(tài)。
通電螺線管與永磁性磁芯的工作原理和工作特性為制作電磁動力機(jī)構(gòu)、電磁約束機(jī)構(gòu)等提供了基礎(chǔ)。
2.被動式非接觸磁約束機(jī)構(gòu)基本構(gòu)造磁環(huán)或磁管+磁芯。磁環(huán)或磁管和磁芯都是具有永磁特性的磁性感應(yīng)元件。磁環(huán)或磁管是套在磁芯的外面，磁芯與磁環(huán)或磁管在力的作用下，可以在其共同的中軸線上相對平移，或者無力的情況下相互約束于平衡位置(圖2(a)(b))。
基本工作原理磁環(huán)或磁管+磁芯都各有各自的磁場，套在一起時將相互影響對方(1)當(dāng)兩者的內(nèi)磁場方向相同時，磁芯在磁環(huán)或磁管內(nèi)表現(xiàn)的是相互吸引，并在吸引力的作用下促使兩者相對動作，達(dá)到最佳的力平衡狀態(tài)。最佳的力平衡位置應(yīng)該是在磁環(huán)或磁管內(nèi)中點或近中點處，具體位置與磁體的物理性能、外形尺寸、機(jī)構(gòu)構(gòu)造等有關(guān)。實際上，固定磁環(huán)或磁管，讓磁芯從磁環(huán)或磁管的一端口外沿著中軸線平移進(jìn)入磁環(huán)或磁管，再沿著中軸線從另一端穿出，磁芯在這個平移過程中受磁環(huán)或磁管的作用力排序是排斥——吸引——(平衡)——吸引——排斥，即磁芯在兩端口外受到的是排斥，進(jìn)入端口后受到的是吸引，在中點或近中點處處于力平衡(圖3)。磁環(huán)或磁管與磁芯要完成這個過程，即突破排斥——吸引的力障，必須施加更大的外力才能實現(xiàn)。反過來，固定磁芯，讓磁環(huán)或磁管作這種移動，結(jié)果是一樣；(2)當(dāng)兩者的內(nèi)磁場相反時，磁環(huán)或磁管與磁芯在環(huán)或管內(nèi)表現(xiàn)的是排斥，并在排斥力的作用下促使兩者相對動作，達(dá)到最佳的力平衡狀態(tài)。最佳的力平衡位置應(yīng)該是在磁環(huán)外或磁管端口處或近端口處，具體位置同樣與磁體的物理性能、外形尺寸、機(jī)構(gòu)構(gòu)造等有關(guān)。實際上，固定磁環(huán)或磁管，讓磁芯從磁環(huán)或磁管的一端口外沿著中軸線平移進(jìn)入磁環(huán)或磁管，再沿著中軸線從另一端穿出，磁芯在這個平移過程中受磁環(huán)或磁管的作用力排序是吸引——(平衡)——排斥——(平衡)——吸引，即磁芯在兩端口外受到的是吸引，在端口處或近端口處處于力平衡，進(jìn)入端口后受到的是排斥，在中點或近中點處排斥達(dá)到最大(圖4)。磁環(huán)或磁管與磁芯要完成這個過程，即突破吸引——排斥的力障，必須施加更大的外力才能實現(xiàn)。反過來，固定磁芯，讓磁環(huán)或磁管作這種移動，結(jié)果是一樣。磁環(huán)或磁管與磁芯之間無直接接觸，力的傳遞是通過兩者的固有磁場來實現(xiàn)的，工作中兩者完全處于磁浮狀態(tài)。
永磁性磁環(huán)或磁管與磁芯的工作原理和工作特性為制作磁性約束機(jī)構(gòu)等提供了基礎(chǔ)。


圖1主動式非接觸磁動、磁約束機(jī)構(gòu)基本構(gòu)造螺線管+磁芯，其中L為螺線管，x為磁芯，Z-Z′為共同的中軸線；螺線管內(nèi)磁場方向、磁芯內(nèi)磁場方向與中軸線平行。
圖2被動式非接觸磁約束機(jī)構(gòu)基本構(gòu)造磁環(huán)或磁管+磁芯，其中H為磁環(huán)或磁管，X為磁芯，Z-Z′為共同的中軸線；磁環(huán)或磁管內(nèi)磁場方向、磁芯內(nèi)磁場方向與中軸線平行；實線位置為平衡位置，虛線位置為排斥力最大位置。(a)磁環(huán)或磁管的內(nèi)磁場與磁芯內(nèi)磁場方向一致；(b)磁環(huán)或磁管的內(nèi)磁場與磁芯內(nèi)磁場方向相反。
圖3磁場方向相同時，中軸線上作用力示意。對應(yīng)(圖2(a))，其中橫坐標(biāo)為共同的中軸線Z-Z′位置坐標(biāo)，o為磁環(huán)或磁管內(nèi)中點或近中點處，縱坐標(biāo)為相互作用力f，+值為吸引力，-值為排斥力。
圖4磁場方向相反時，中軸線上作用力示意，對應(yīng)(圖2(b))，其中橫坐標(biāo)為共同的中軸線Z-Z′位置坐標(biāo)，o為磁環(huán)或磁管內(nèi)中點或近中點處，縱坐標(biāo)為相互作用力f，+值為吸引力，-值為排斥力。
圖5(a)(b)(c)螺線管與磁芯長度可以相同，也可以不同。
圖6(a)(b)(c)(d)螺線管與磁芯可以根據(jù)情況相互組合。
圖7(a)(b)(c)磁環(huán)、磁管與磁芯長度可以相同，也可以不同。
圖8(a)(b)(c)(d)(e)磁環(huán)、磁管與磁芯可以根據(jù)情況相互組合。
圖9三段式開關(guān)與動作機(jī)構(gòu)的工作原理示意，(-)、(0)和(+)為三個動作位置。此圖磁環(huán)或磁管為固定部件，磁芯為活動部件，實際過程也可以反過來，將磁芯固定，磁環(huán)或磁管為活動部件。
圖10二段式開關(guān)與動作機(jī)構(gòu)的工作原理示意。(-)和(+)為二個動作位置。此圖磁環(huán)或磁管為活動部件，磁芯為固定部件，實際過程也可以反過來，將磁環(huán)或磁管固定，磁芯為活動部件。
實施方案1.主動式非接觸磁動、磁約束機(jī)構(gòu)主動式非接觸磁動、磁約束機(jī)構(gòu)的重要關(guān)鍵部件一個是螺線管，一個是磁芯。
螺線管由導(dǎo)電材料和其它材料制作，是一個電感元件。它在機(jī)構(gòu)中起換能的作用。螺線管可以是由一組線圈構(gòu)成，也可以是由多組線圈組合構(gòu)成。磁芯是具有永磁特性的感應(yīng)元件，它可以由永磁材料、永磁復(fù)合材料與其它材料加工制作；螺線管是套在磁芯的外面，它們有共同的中軸線，并可以在中軸線上相對平移。
如果螺線管在機(jī)構(gòu)中作為固定部件，磁芯作為運動部件，則磁芯在機(jī)構(gòu)中的作用是動力輸出或者被約束；如果磁芯在機(jī)構(gòu)中作為固定部件，螺線管作為運動部件，則螺線管在機(jī)構(gòu)中的作用是動力輸出或者被約束；螺線管和磁芯也可以在機(jī)構(gòu)中都作為活動部件。
螺線管與磁芯長度可以相同，也可以不同，(圖5(a)(b)(c))。螺線管與磁芯可以根據(jù)情況由一個或多個相互組合成機(jī)構(gòu)，(圖6(a)(b)(c)(d))。
(1)應(yīng)用于往復(fù)式電動機(jī)、壓縮機(jī)、電動錘等往復(fù)式機(jī)器對螺線管施以交流電，螺線管內(nèi)產(chǎn)生交變磁場，使得螺線管與磁芯之間的作用方向(即吸引——排斥)交遞變化，其動作則是往復(fù)運動，這就具備了往復(fù)式動力機(jī)器的基本工作特點。
(2)應(yīng)用于傳動桿、沖壓機(jī)、制動器、機(jī)械臂、機(jī)器人關(guān)節(jié)、閥門等傳動機(jī)械對螺線管施以的電流強(qiáng)度，電流方向等加以控制，螺線管內(nèi)產(chǎn)生的磁場、螺線管磁場與磁芯的作用(即作用力的大小、方向、平衡位置、工作位移速度、距離等)都可以得到了控制，符合傳動桿、沖壓機(jī)、制動器、機(jī)械臂、機(jī)器人關(guān)節(jié)、閥門等傳動機(jī)械的工作要求。
(3)應(yīng)用于沖擊電錘、脈沖制動器等動力、傳動機(jī)器和機(jī)械對螺線管施以脈沖電流，螺線管內(nèi)產(chǎn)生脈沖磁場，使得螺線管與磁芯之間產(chǎn)生一種非連續(xù)的作用，適合制作需要獲得脈沖動作的機(jī)器和機(jī)械。
(4)應(yīng)用于開關(guān)、直流接觸器、控制器件等瞬時動作裝置和器件對螺線管施以直流電、可控方向的直流電或斷電，螺線管磁場隨著電流的供給瞬間增大或改變，使得螺線管與磁芯之間的作用突然產(chǎn)生或消失，促使機(jī)構(gòu)迅速動作，符合開關(guān)、直流接觸器等器件等瞬時動作裝置和器件要求。
(5)應(yīng)用于防震、緩沖、約束、彈性元件等對螺線管施以恒定或可調(diào)節(jié)的直流電，螺線管內(nèi)產(chǎn)生恒定或可調(diào)節(jié)的磁場，使得螺線管與磁芯之間產(chǎn)生一種大小恒定或可變的作用，可以用于防震、緩沖、約束、彈性等元器件和機(jī)構(gòu)。
(6)應(yīng)用于儀器儀表、傳感器、力學(xué)與電工學(xué)測量元件等通過檢測通入螺線管電流大小、螺線管與磁芯相對位置的變化，可以了解到承載于機(jī)構(gòu)上力的大小、電流的變化情況等。
2.被動式非接觸磁約束機(jī)構(gòu)被動式非接觸磁約束機(jī)構(gòu)的重要關(guān)鍵部件一個是磁環(huán)或磁管(短的稱之為環(huán)，長的稱之為管)，一個是磁芯。
磁環(huán)或磁管和磁芯是具有永磁特性的磁性感應(yīng)元件，它們可以由永磁材料、永磁復(fù)合材料與其它材料加工制作；磁環(huán)或磁管是套在磁芯的外面；它們有共同的中軸線，并可以在中軸線上相對平移。
如果磁環(huán)或磁管在機(jī)構(gòu)中作為固定部件，則磁芯就是運動部件，其作用是受控或被約束；如果磁芯在機(jī)構(gòu)中作為固定部件，則磁環(huán)或磁管就是運動部件，其作用是受控或被約束；磁環(huán)或磁管和磁芯也可以在機(jī)構(gòu)中都作為活動部件。
磁環(huán)、磁管與磁芯長度可以相同，也可以不同(圖7(a)(b)(c))；磁環(huán)、磁管與磁芯可以根據(jù)情況相互組合(圖8(a)(b)(c)(d)(e))。
(1)應(yīng)用于三段式開關(guān)及其動作機(jī)構(gòu)和元器件磁環(huán)或磁管的內(nèi)磁場與磁芯的內(nèi)磁場方向一致，在中軸線上相互作用力表現(xiàn)為排斥——吸引——(平衡)——吸引——排斥，如果將平衡位置記作(0)點，另外在越過兩端相互最大排斥處外設(shè)置動作終端，并記作(+)和(-)，則這個機(jī)構(gòu)就有(+)、(-)和(0)三個動作位置(圖9)。
(2)應(yīng)用于二段式開關(guān)及其動作機(jī)構(gòu)和元器件磁環(huán)或磁管的內(nèi)磁場與磁芯的內(nèi)磁場方向相反，在中軸線上相互作用力表現(xiàn)為吸引——(平衡)——排斥——(平衡)——吸引，如果將其中一個平衡位置記作(-)點，另一個平衡位置記作(+)，則這個機(jī)構(gòu)就有(+)和(-)二個動作位置(圖10)。
(3)應(yīng)用于防震、緩沖、約束、彈性等機(jī)構(gòu)和元器件不論磁環(huán)或磁管的內(nèi)磁場與磁芯的內(nèi)磁場方向是否一致，在中軸線上始終存在吸引和排斥兩種力，這兩種力都可以起到約束和緩沖的作用，這兩種力的工作極限是由磁性材料的性能和器件的結(jié)構(gòu)等因素決定的。
權(quán)利要求
1.一種主動式非接觸磁動、磁約束機(jī)構(gòu)，其特征是(1)螺線管和磁芯是機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵功能部件。螺線管由導(dǎo)電材料和其它材料制作的電磁感應(yīng)元件，它是套在磁芯外；磁芯是具有永磁特性的磁性感應(yīng)元件，它可以由永磁材料、永磁復(fù)合材料或與其它材料加工制作而成，它被套在螺線管內(nèi)；(2)螺線管和磁芯有一條共同的中軸線，它們的內(nèi)磁場與該軸線平行；(3)螺線管通電在管內(nèi)產(chǎn)生的磁場作用于磁芯，同時磁芯的固有磁場反作用于螺線管，使其相互之間可以發(fā)生動作或約束；(4)機(jī)構(gòu)的工作特點是螺線管與磁芯在其共同的中軸線上相對平移、作往復(fù)運動，或者相互約束。固定螺線管，磁芯運動或被約束；固定磁芯，螺線管運動或被約束；(5)螺線管與磁芯之間無直接接觸，工作時，力的傳遞是通過磁場實現(xiàn)，并且是一種磁浮式吸引和排斥。
2.一種被動式非接觸磁約束機(jī)構(gòu)，其特征是(1)磁環(huán)或磁管和磁芯是機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵功能部件。磁環(huán)或磁管和磁芯都是由具有永磁特性的磁性感應(yīng)元件，它們可以由永磁材料、永磁復(fù)合材料或與其它材料加工制作而成，磁環(huán)或磁管套在磁芯外；磁芯被套在磁環(huán)或磁管內(nèi)；(2)磁環(huán)或磁管和磁芯有一條共同的中軸線，它們的內(nèi)磁場與該軸線平行；(3)磁環(huán)或磁管的固有磁場作用于磁芯，同時磁芯的固有磁場反作用于磁環(huán)或磁管，使其相互之間可以發(fā)生動作或約束；(4)機(jī)構(gòu)的工作特點是在一定的外力推動下，磁環(huán)或磁管與磁芯在其共同的中軸線上相對平移；無外力推動時則會相互約束。固定磁環(huán)或磁管，磁芯可以動作或被約束；固定磁芯，磁環(huán)或磁管可以動作或被約束。(5)磁環(huán)或磁管與磁芯之間無直接接觸，并且始終處于一種磁浮式吸引和排斥狀態(tài)。
3.根據(jù)1，一種主動式非接觸磁動、磁約束機(jī)構(gòu)制作方式(1)組成機(jī)構(gòu)的螺線管可以由一組或多組、相同或不同的線圈組成；磁芯也可以是由一段或多段、相同或不同的磁節(jié)組成；所謂相同或不同，是指物理、化學(xué)意義上的相同或不同；(2)螺線管或磁芯任何一方都可以作為機(jī)構(gòu)的固定部件，另一方則成為機(jī)構(gòu)的運動部件；也可以都作為機(jī)構(gòu)的運動部件；(3)螺線管與磁芯的形狀，以及相互之間的長短、排列組合方式等可根據(jù)具體情況確定。
4.根據(jù)1，一種主動式非接觸磁動、磁約束機(jī)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域(1)動力與傳動機(jī)器、機(jī)械的制造，如往復(fù)式電動機(jī)、壓縮機(jī)、沖壓機(jī)、電動錘、傳動桿、機(jī)械臂、制動器、機(jī)器人關(guān)節(jié)、閥門等；(2)控制、傳感、測量裝置與元器件的制作，如開關(guān)、接觸器、傳感器、電磁檢測儀器儀表、力學(xué)檢測儀器儀表等；(3)緩沖、約束裝置與器件的制造，如減震器、彈性元件、約束器件等；(4)其它制造領(lǐng)域。
5.根據(jù)2，一種被動式非接觸磁約束機(jī)構(gòu)制作方式(1)組成機(jī)構(gòu)的磁環(huán)或磁管可以是一個或多個、相同或不同的磁節(jié)組成；磁芯也可以是由一段或多段、相同或不同的磁節(jié)組成；所謂相同或不同，是指物理、化學(xué)意義上的相同或不同；(2)磁環(huán)或磁管與磁芯任何一方都可以作為機(jī)構(gòu)的固定部件，另一方則成為機(jī)構(gòu)的運動部件；也可以都作為機(jī)構(gòu)的運動部件；(3)磁環(huán)或磁管與磁芯的形狀，以及相互之間的長短、排列組合方式等可根據(jù)具體情況確定。
6.根據(jù)2，一種被動式非接觸磁約束機(jī)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域(1)傳感、測量及其動作裝置與元器件的制作，如開關(guān)、接觸器、傳感器、力學(xué)檢測儀器儀表等；(2)緩沖、約束裝置與器件的制造，如機(jī)械關(guān)節(jié)、減震器、彈性元件、約束器件等；(3)其它制造領(lǐng)域。
全文摘要
一種主動式非接觸磁動、磁約束機(jī)構(gòu)，它是利用通電螺線管產(chǎn)生的電磁場對具有永磁特性的磁芯產(chǎn)生吸引——排斥作用，從而使機(jī)構(gòu)動作或約束。螺線管與磁芯之間無直接接觸，工作時是處于磁浮狀態(tài)。可應(yīng)用于往復(fù)式動力機(jī)器和傳動機(jī)械及其裝置、自控和測量裝置及其元器件、防震緩沖和彈性約束裝置及其元器件等。一種被動式非接觸磁約束機(jī)構(gòu)，它是利用具有永磁特性的磁環(huán)或磁管與磁芯間的吸引—排斥作用，使機(jī)構(gòu)相互約束，而在外力作用下才發(fā)生動作。磁芯或磁管與磁芯之間無直接接觸，工作時是處于磁浮狀態(tài)。它可應(yīng)用于開關(guān)和動作裝置及其元器件、防震緩沖和彈性約束裝置及其元器件等。
文檔編號H02N15/00GK1599227SQ20041004660
公開日2005年3月23日 申請日期2004年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月28日
發(fā)明者譚晛, 譚皓 申請人:譚晛, 譚皓