非接触磁动、磁约束机构.pdf

一种主动式非接触磁动、磁约束机构，它是利用通电螺线管产生的电磁场对具有永磁特性的磁芯产生吸引——排斥作用，从而使机构动作或约束。螺线管与磁芯之间无直接接触，工作时是处于磁浮状态。可应用于往复式动力机器和传动机械及其装置、自控和测量装置及其元器件、防震缓冲和弹性约束装置及其元器件等。一种被动式非接触磁约束机构，它是利用具有永磁特性的磁环或磁管与磁芯间的吸引—排斥作用，使机构相互约束，而在外力作用下才发生动作。磁芯或磁管与磁芯之间无直接接触，工作时是处于磁浮状态。它可应用于开关和动作装置及其元器件、防震缓冲和弹性约束装置及其元器件等。

1.  一种主动式非接触磁动、磁约束机构，其特征是：(1)螺线管和磁芯是机构的关键功能部件。螺线管由导电材料和其它材料制作的电磁感应元件，它是套在磁芯外；磁芯是具有永磁特性的磁性感应元件，它可以由永磁材料、永磁复合材料或与其它材料加工制作而成，它被套在螺线管内；(2)螺线管和磁芯有一条共同的中轴线，它们的内磁场与该轴线平行；(3)螺线管通电在管内产生的磁场作用于磁芯，同时磁芯的固有磁场反作用于螺线管，使其相互之间可以发生动作或约束；(4)机构的工作特点是：螺线管与磁芯在其共同的中轴线上相对平移、作往复运动，或者相互约束。固定螺线管，磁芯运动或被约束；固定磁芯，螺线管运动或被约束；(5)螺线管与磁芯之间无直接接触，工作时，力的传递是通过磁场实现，并且是一种磁浮式吸引和排斥。

2.  一种被动式非接触磁约束机构，其特征是：(1)磁环或磁管和磁芯是机构的关键功能部件。磁环或磁管和磁芯都是由具有永磁特性的磁性感应元件，它们可以由永磁材料、永磁复合材料或与其它材料加工制作而成，磁环或磁管套在磁芯外；磁芯被套在磁环或磁管内；(2)磁环或磁管和磁芯有一条共同的中轴线，它们的内磁场与该轴线平行；(3)磁环或磁管的固有磁场作用于磁芯，同时磁芯的固有磁场反作用于磁环或磁管，使其相互之间可以发生动作或约束；(4)机构的工作特点是：在一定的外力推动下，磁环或磁管与磁芯在其共同的中轴线上相对平移；无外力推动时则会相互约束。固定磁环或磁管，磁芯可以动作或被约束；固定磁芯，磁环或磁管可以动作或被约束。(5)磁环或磁管与磁芯之间无直接接触，并且始终处于一种磁浮式吸引和排斥状态。

3.  根据1，一种主动式非接触磁动、磁约束机构制作方式：(1)组成机构的螺线管可以由一组或多组、相同或不同的线圈组成；磁芯也可以是由一段或多段、相同或不同的磁节组成；所谓相同或不同，是指物理、化学意义上的相同或不同；(2)螺线管或磁芯任何一方都可以作为机构的固定部件，另一方则成为机构的运动部件；也可以都作为机构的运动部件；(3)螺线管与磁芯的形状，以及相互之间的长短、排列组合方式等可根据具体情况确定。

4.  根据1，一种主动式非接触磁动、磁约束机构应用领域：(1)动力与传动机器、机械的制造，如：往复式电动机、压缩机、冲压机、电动锤、传动杆、机械臂、制动器、机器人关节、阀门等；(2)控制、传感、测量装置与元器件的制作，如：开关、接触器、传感器、电磁检测仪器仪表、力学检测仪器仪表等；(3)缓冲、约束装置与器件的制造，如：减震器、弹性元件、约束器件等；(4)其它制造领域。

5.  根据2，一种被动式非接触磁约束机构制作方式：(1)组成机构的磁环或磁管可以是一个或多个、相同或不同的磁节组成；磁芯也可以是由一段或多段、相同或不同的磁节组成；所谓相同或不同，是指物理、化学意义上的相同或不同；(2)磁环或磁管与磁芯任何一方都可以作为机构的固定部件，另一方则成为机构的运动部件；也可以都作为机构的运动部件；(3)磁环或磁管与磁芯的形状，以及相互之间的长短、排列组合方式等可根据具体情况确定。

6.  根据2，一种被动式非接触磁约束机构应用领域：(1)传感、测量及其动作装置与元器件的制作，如：开关、接触器、传感器、力学检测仪器仪表等；(2)缓冲、约束装置与器件的制造，如：机械关节、减震器、弹性元件、约束器件等；(3)其它制造领域。

非接触磁动、磁约束机构
涉及领域  机械动力与机械传动、仪器仪表与自动控制、开关阀门与检测器件、磁性材料与电工学应用技术等领域。
背景技术  本发明是基于高性能磁性材料及其成型工艺出现和完善，使得理论与应用得以结合。在此之前尚未发现将此原理应用于本发明所涉及的电磁动力和磁性约束机构，包括设备、装置和器件。
发明目的  提供一种电磁动力与传动的工作方式和磁性约束方式，以及由此方式导出的机构基本构造，并使其在机械动力与机械传动、仪器仪表与自动控制、开关阀门与检测器件、磁性材料与电工学应用技术等领域中得到应用。
发明内容
1.主动式非接触磁动、磁约束机构
基本构造：螺线管+磁芯。螺线管是由导电材料和其它材料制作的电磁感应元件，磁芯是具有永磁特性的磁性感应元件。螺线管是套在磁芯的外面，磁芯与螺线管在电的作用下，可以在其共同的中轴线上相对平移或相互约束(图1)。
基本工作原理：螺线管通入电流后，在其管内产生一个磁场，该磁场的磁感应强度、方向与螺线管的线圈匝数、线圈密度、通入的电流强度、电流方向等有关。螺线管磁场的出现必将影响并作用套在管内的磁芯，如果这个作用足够大，它将引起螺线管与磁芯之间的相对位移或相互约束：(1)当螺线管内磁场方向与磁芯内磁场方向一致时，相互之间受吸引力作用，管内有一个最佳的力平衡点，两者将相对平移到该位置并保持约束在该位置的状态；(2)当螺线管内磁场方向与磁芯内磁场方向相反时，相互之间受排斥力作用，力平衡点在管外，两者将相对平移到其中的一个平衡点并保持约束在该位置的状态；(3)当螺线管内磁场方向与磁芯内磁场方向交替变化时，相互之间产生交替的吸引—排斥作用，它们将沿着中轴线来回作往复运动。固定螺线管，则磁芯运动；固定磁芯，则螺线管运动。螺线管与磁芯之间无直接接触，力的传递是通过螺线管的电磁场和磁芯的固有磁场来实现的，工作中两者完全处于磁浮状态。
通电螺线管与永磁性磁芯的工作原理和工作特性为制作电磁动力机构、电磁约束机构等提供了基础。
2.被动式非接触磁约束机构
基本构造：磁环或磁管+磁芯。磁环或磁管和磁芯都是具有永磁特性的磁性感应元件。磁环或磁管是套在磁芯的外面，磁芯与磁环或磁管在力的作用下，可以在其共同的中轴线上相对平移，或者无力的情况下相互约束于平衡位置(图2(a)(b))。
基本工作原理：磁环或磁管+磁芯都各有各自的磁场，套在一起时将相互影响对方：(1)当两者的内磁场方向相同时，磁芯在磁环或磁管内表现的是相互吸引，并在吸引力的作用下促使两者相对动作，达到最佳的力平衡状态。最佳的力平衡位置应该是在磁环或磁管内中点或近中点处，具体位置与磁体的物理性能、外形尺寸、机构构造等有关。实际上，固定磁环或磁管，让磁芯从磁环或磁管的一端口外沿着中轴线平移进入磁环或磁管，再沿着中轴线从另一端穿出，磁芯在这个平移过程中受磁环或磁管的作用力排序是：排斥——吸引——(平衡)——吸引——排斥，即磁芯在两端口外受到的是排斥，进入端口后受到的是吸引，在中点或近中点处处于力平衡(图3)。磁环或磁管与磁芯要完成这个过程，即突破排斥——吸引的力障，必须施加更大的外力才能实现。反过来，固定磁芯，让磁环或磁管作这种移动，结果是一样；(2)当两者的内磁场相反时，磁环或磁管与磁芯在环或管内表现的是排斥，并在排斥力的作用下促使两者相对动作，达到最佳的力平衡状态。最佳的力平衡位置应该是在磁环外或磁管端口处或近端口处，具体位置同样与磁体的物理性能、外形尺寸、机构构造等有关。实际上，固定磁环或磁管，让磁芯从磁环或磁管的一端口外沿着中轴线平移进入磁环或磁管，再沿着中轴线从另一端穿出，磁芯在这个平移过程中受磁环或磁管的作用力排序是：吸引——(平衡)——排斥——(平衡)——吸引，即磁芯在两端口外受到的是吸引，在端口处或近端口处处于力平衡，进入端口后受到的是排斥，在中点或近中点处排斥达到最大(图4)。磁环或磁管与磁芯要完成这个过程，即突破吸引——排斥的力障，必须施加更大的外力才能实现。反过来，固定磁芯，让磁环或磁管作这种移动，结果是一样。磁环或磁管与磁芯之间无直接接触，力的传递是通过两者的固有磁场来实现的，工作中两者完全处于磁浮状态。
永磁性磁环或磁管与磁芯的工作原理和工作特性为制作磁性约束机构等提供了基础。
附图说明
图1主动式非接触磁动、磁约束机构基本构造：螺线管+磁芯，其中L为螺线管，x为磁芯，Z-Z′为共同的中轴线；螺线管内磁场方向、磁芯内磁场方向与中轴线平行。
图2被动式非接触磁约束机构基本构造：磁环或磁管+磁芯，其中H为磁环或磁管，X为磁芯，Z-Z′为共同的中轴线；磁环或磁管内磁场方向、磁芯内磁场方向与中轴线平行；实线位置为平衡位置，虚线位置为排斥力最大位置。(a)磁环或磁管的内磁场与磁芯内磁场方向一致；(b)磁环或磁管的内磁场与磁芯内磁场方向相反。
图3磁场方向相同时，中轴线上作用力示意。对应(图2(a))，其中横坐标为共同的中轴线Z-Z′位置坐标，o为磁环或磁管内中点或近中点处，纵坐标为相互作用力f，+值为吸引力，-值为排斥力。
图4磁场方向相反时，中轴线上作用力示意，对应(图2(b))，其中横坐标为共同的中轴线Z-Z′位置坐标，o为磁环或磁管内中点或近中点处，纵坐标为相互作用力f，+值为吸引力，-值为排斥力。
图5(a)(b)(c)螺线管与磁芯长度可以相同，也可以不同。
图6(a)(b)(c)(d)螺线管与磁芯可以根据情况相互组合。
图7(a)(b)(c)磁环、磁管与磁芯长度可以相同，也可以不同。
图8(a)(b)(c)(d)(e)磁环、磁管与磁芯可以根据情况相互组合。
图9三段式开关与动作机构的工作原理示意，(-)、(0)和(+)为三个动作位置。此图磁环或磁管为固定部件，磁芯为活动部件，实际过程也可以反过来，将磁芯固定，磁环或磁管为活动部件。
图10二段式开关与动作机构的工作原理示意。(-)和(+)为二个动作位置。此图磁环或磁管为活动部件，磁芯为固定部件，实际过程也可以反过来，将磁环或磁管固定，磁芯为活动部件。
实施方案
1.主动式非接触磁动、磁约束机构
主动式非接触磁动、磁约束机构的重要关键部件一个是螺线管，一个是磁芯。
螺线管由导电材料和其它材料制作，是一个电感元件。它在机构中起换能的作用。螺线管可以是由一组线圈构成，也可以是由多组线圈组合构成。磁芯是具有永磁特性的感应元件，它可以由永磁材料、永磁复合材料与其它材料加工制作；螺线管是套在磁芯的外面，它们有共同的中轴线，并可以在中轴线上相对平移。
如果螺线管在机构中作为固定部件，磁芯作为运动部件，则磁芯在机构中的作用是动力输出或者被约束；如果磁芯在机构中作为固定部件，螺线管作为运动部件，则螺线管在机构中的作用是动力输出或者被约束；螺线管和磁芯也可以在机构中都作为活动部件。
螺线管与磁芯长度可以相同，也可以不同，(图5(a)(b)(c))。螺线管与磁芯可以根据情况由一个或多个相互组合成机构，(图6(a)(b)(c)(d))。
(1)应用于往复式电动机、压缩机、电动锤等往复式机器
对螺线管施以交流电，螺线管内产生交变磁场，使得螺线管与磁芯之间的作用方向(即吸引——排斥)交递变化，其动作则是往复运动，这就具备了往复式动力机器地基本工作特点。
(2)应用于传动杆、冲压机、制动器、机械臂、机器人关节、阀门等传动机械
对螺线管施以的电流强度，电流方向等加以控制，螺线管内产生的磁场、螺线管磁场与磁芯的作用(即作用力的大小、方向、平衡位置、工作位移速度、距离等)都可以得到了控制，符合传动杆、冲压机、制动器、机械臂、机器人关节、阀门等传动机械的工作要求。
(3)应用于冲击电锤、脉冲制动器等动力、传动机器和机械
对螺线管施以脉冲电流，螺线管内产生脉冲磁场，使得螺线管与磁芯之间产生一种非连续的作用，适合制作需要获得脉冲动作的机器和机械。
(4)应用于开关、直流接触器、控制器件等瞬时动作装置和器件
对螺线管施以直流电、可控方向的直流电或断电，螺线管磁场随着电流的供给瞬间增大或改变，使得螺线管与磁芯之间的作用突然产生或消失，促使机构迅速动作，符合开关、直流接触器等器件等瞬时动作装置和器件要求。
(5)应用于防震、缓冲、约束、弹性元件等
对螺线管施以恒定或可调节的直流电，螺线管内产生恒定或可调节的磁场，使得螺线管与磁芯之间产生一种大小恒定或可变的作用，可以用于防震、缓冲、约束、弹性等元器件和机构。
(6)应用于仪器仪表、传感器、力学与电工学测量元件等
通过检测通入螺线管电流大小、螺线管与磁芯相对位置的变化，可以了解到承载于机构上力的大小、电流的变化情况等。
2.被动式非接触磁约束机构
被动式非接触磁约束机构的重要关键部件一个是磁环或磁管(短的称之为环，长的称之为管)，一个是磁芯。
磁环或磁管和磁芯是具有永磁特性的磁性感应元件，它们可以由永磁材料、永磁复合材料与其它材料加工制作；磁环或磁管是套在磁芯的外面；它们有共同的中轴线，并可以在中轴线上相对平移。
如果磁环或磁管在机构中作为固定部件，则磁芯就是运动部件，其作用是受控或被约束；如果磁芯在机构中作为固定部件，则磁环或磁管就是运动部件，其作用是受控或被约束；磁环或磁管和磁芯也可以在机构中都作为活动部件。
磁环、磁管与磁芯长度可以相同，也可以不同(图7(a)(b)(c))；磁环、磁管与磁芯可以根据情况相互组合(图8(a)(b)(c)(d)(e))。
(1)应用于三段式开关及其动作机构和元器件
磁环或磁管的内磁场与磁芯的内磁场方向一致，在中轴线上相互作用力表现为：排斥——吸引——(平衡)——吸引——排斥，如果将平衡位置记作(0)点，另外在越过两端相互最大排斥处外设置动作终端，并记作(+)和(-)，则这个机构就有(+)、(-)和(0)三个动作位置(图9)。
(2)应用于二段式开关及其动作机构和元器件
磁环或磁管的内磁场与磁芯的内磁场方向相反，在中轴线上相互作用力表现为：吸引——(平衡)——排斥——(平衡)——吸引，如果将其中一个平衡位置记作(-)点，另一个平衡位置记作(+)，则这个机构就有(+)和(-)二个动作位置(图10)。
(3)应用于防震、缓冲、约束、弹性等机构和元器件
不论磁环或磁管的内磁场与磁芯的内磁场方向是否一致，在中轴线上始终存在吸引和排斥两种力，这两种力都可以起到约束和缓冲的作用，这两种力的工作极限是由磁性材料的性能和器件的结构等因素决定的。