线性磁力阻尼定位器及其倾角检测系统

摘要

本发明的目的设计一种线性磁力阻尼定位器及其倾角检测系统，解决现有的阻尼器易于老化，结构复杂，不易安装，维护困难，不能自复位的问题。本系统的定子和转子上同时分布N＝2M块永久磁铁，M为大于等于2的整数；定子永久磁铁的两个侧面都为圆弧面，大圆弧面为安装面；转子永久磁铁的一个侧面为圆弧面，另一个侧面为平面，平面为安装面；N块定子转子永久磁铁拼合后，形成中空的圆柱柱；N块转子永久磁铁拼合后，形成中心为中空的N棱柱；N块定子永久磁铁的形状大小相同，N块转子永久磁铁的形状大小也相同。本发明适合用于运动设备，如设备的操纵杆，方向盘；也可锁定支柱，或作为位置保持装置。

说明书

技术领域

本发明属于阻尼器领域。

背景技术

现有的对物体的控制有两种状态，一种是完全的制动，使其处于被抱死的状态；另一种是自由状态，即对其没有任何的附加作用力。但实际的应用中，需要的不单单是这两种状态，例如，我们希望汽车在低速区域转向轻便、灵活；在中高速区转向有稍大阻尼力矩来产生的转向手感，并且有足够好的稳定性，使得驾驶员有良好的路感，保证安全。而且在许多设备中，需要技术人员在对其进行控制时，有一定的“手感”。比如在搬动设备的扳手时要有一定的阻力矩，以免操作人员在搬动时，尤其是在要求精度很高的控制中，由于误操作而使得搬动过量。

同时，随着生产实际中环境的不断改变，以及工业中设备的更新，使得对附属的制动装置要求越来越高。现有的定位制动装置，大多数都是消耗原材料，如盘式制动器，鼓式制动器，或是消耗电能，如电磁制动器，或者应用机械原理通过弹簧的压紧和释放来实现对物体的定位制动。比如在起重机中，它的水平横向或纵向移动机构以及垂直提升机构中，对制动机构的安全性要求是很高的，不仅要求在短的时间内定位，还希望停止后能对负载位置能保持不变。

专利US6095295描述了一种用电流来控制磁流变液的旋转阻尼器，通过调整绕组所加电流的大小可以改变磁流变液的程度，来改变对转轴的阻尼。

专利ZL200420112224.3描述了一种带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器，有效的解决了轴径偏心率增大，油膜力增大时，油膜刚度随轴径偏心率的增大而呈高度非线性增长的问题。

专利200910011447.8描述了一种混合型形状记忆合金多维隔振器，综合利用了奥氏体形状记忆合金的超弹性自复位能力和马氏体形状记忆合金的高阻尼特性，能够应用于土木工程领域的被动控制。

其中挤压油膜阻尼器：机构简单，重量轻；但油膜阻尼理论尚不完善，需要制造精密的阀门和保证良好的密封，同时挤压油膜阻尼器会由于贫油或断油而无法形成挤压油膜，导致阻尼失效，另外挤压油膜阻尼器需要供油系统，导致系统结构复杂。电流变液和磁流变液阻尼器：在亚临界区和临界转速处控振的效果很好；但机理相对复杂，不稳定，成本高。形状记忆合金：可简化控制机构；但稳定性差。

与此同时，永磁材料是一种新兴的能源材料，它的三大特殊性能：高剩磁、高矫顽力和最大磁能积使得它在机电类，医疗核磁共振，航空航天等等方面得到了广泛的应用。

发明内容

本发明的目的设计一种线性磁力阻尼定位器及其倾角检测系统，目的是解决现有的阻尼器易于老化，结构复杂，不易安装，维护困难，不能自复位的问题。本发明适合用于运动设备，如设备的操纵杆，方向盘；也可锁定支柱，或作为位置保持装置。具有磁场空间利用率高，体积小，重量轻，安装方便的特点。其阻尼力矩与角度之间的线性特性是本发明的一个重点。

线性磁力阻尼定位器及其倾角检测系统，包括包括定子，转子，前端盖，后端盖；定子包括机壳，定子永久磁铁；定子永久磁铁贴于机壳的内表面；转子包括转轴，转子磁铁，轴承；转子磁铁贴于转轴的外表面，轴承位于转轴的两侧；转子位于定子内部，通过套在转轴两侧的前后端盖固定于机壳上，用于固定支撑；

其特征在于：定子和转子上同时分布N＝2M块永久磁铁，M为大于等于2的整数；定子永久磁铁的两个侧面都为圆弧面，大圆弧面为安装面；转子永久磁铁的一个侧面为圆弧面，另一个侧面为平面，平面为安装面；N块定子转子永久磁铁拼合后，形成中空的圆柱柱；N块转子永久磁铁拼合后，形成中心为中空的N棱柱；N块定子永久磁铁的形状大小相同，N块转子永久磁铁的形状大小也相同；

定子永久磁铁和转子永久磁铁采用沿半径方向的充磁或者沿横截面中心与弧面圆心连线的平行充磁，磁场强度大小相等；安装时定子上相邻的两块永久磁铁的充磁方向相差90度，转子上两块相邻的永久磁铁的充磁方向相差90度；相对着的定子和转子上的两永久磁铁充磁方向相同；

倾角检测装置是角度检测电路或者采用传感器，将角度检测电路固定在转轴上，随转轴同步旋转，来检测角度的检测。

倾角检测可以是角度检测电路，亦可采用其他传感器，包括导电塑料传感器，线性电位器，可变电感或可变电容传感器，光学编码器。根据实施方案一，其特征在于将角度检测电路固定在转轴上，使其随转轴一起转动。在实施方案二中，其特征在于采用导电塑料传感器，将转轴的一侧出轴端加工为一个凹槽，来接收导电塑料传感器的转轴端，节约了安装空间。在实施方案三中，其特征在于采用了联轴器来连接导电塑料传感器，可以省去转轴的加工难度。

根据发明的另一个方面，提供了一种限制转轴可旋转的角度的限位构件和可用于连接其他设备的连接构件卡块。其特征在于限位构件的定位销，为固定于前端盖上的紧定螺钉，和机壳相对静止；卡块为一外部形状为梨形的金属块，一侧有一弧形限位槽，限位槽是深度为20-50mm的弧形凹槽，同定位销配合使用，达到限位的目的。

本发明的优点是结构简单，实现了阻尼力矩与偏转角度之间的线性关系，角度检测方便实现，整个系统具有体积小，重量轻，加工成本低的特点。

附图说明：

图1线性磁力阻尼定位器及其倾角检测系统实施方案一

图2定子侧视图

图3A转子主视图

图3B转子磁铁拼接剖面图

图3C转轴键槽剖面图

图4卡块侧视图

图5前端盖主视图

图6线性磁力阻尼定位器及其倾角检测系统实施方案二

图7线性磁力阻尼定位器及其倾角检测系统实施方案三

图中：

1.定子  101.机壳  102.定子永久磁铁

2.转子  201.转轴  202.转子永久磁铁  203.轴承  204.卡位槽  205.键槽

3.前端盖

4.后端盖

5.卡块  501.限位槽

6.角度检测电路

7.防尘罩

8.键

9.定位销

10.导电塑料传感器

11.联轴器

12.气隙

具体实施方式

下面结合本发明的一种具体实施方案来对本发明做进一步说明。

一种线性磁力阻尼定位器及其倾角检测系统的实施方案一如图1所示，包括线性磁力阻尼定位器，倾角检测，连接构件和限位构件。该线性磁力阻尼定位器包含定子1，转子2，前端盖3，后端盖4。定子1包括一个导磁的管状的机壳101，它相对转轴201固定不动。定子永久磁铁102贴于机壳的内表面，四块定子永久磁铁102拼合后可以形成一个圆柱形内腔。定转子的永久磁铁充磁方向为沿半径方向，或者沿横截面中心与弧面中心连线的方向，如图2，图3B所示。

转子2包括导磁的转轴201，转子永久磁铁202。四块转子永久磁铁202拼接可形成中空的四棱柱，如图3B转子磁铁拼接剖视图所示。转子永久磁铁202粘结于转轴201表面，如图3A转子主视图所示。转子2安置于定子1的圆柱空腔内。例子包括但不局限于四块永久磁铁，磁铁的数量可以为N＝2M块永久磁铁，M为大于等于2的整数。

此外，位于转轴201一侧的键槽205它的中心线与转轴四个平面中任意两个相邻平面的相交线重合。其一种位置关系如图3B，图3C所示。

分别套在转轴201两侧，固定于机壳101两侧的前端盖3，后端盖4是保证气隙大小，以及同轴度的关键。前后端盖分别各有的两个沉孔，可将整个系统固定于平台之上。

连接构件如图1所示，键8紧配合于转轴201的键槽205内，用于与卡块5的连接。卡块5如图4所示，使用硬铝材质，例子包括但不局限于硬铝，其外形可以方便的与其他设备相连。卡块5紧配合套在转轴201和键8的外部。

限位构件定位销9固定在前端盖3上，前端盖主视图如图5所示，长出端盖的部分通过与卡块5上的限位槽501配合使用，来限制转轴201的可旋转角度。

角度检测在本实施方案中为一检测电路，将角度检测电路6固定在转轴201的一端上，安装时要保证电路板上的螺孔与转轴上的孔一一对应。电路板需外部提供电源，可引线可直接与外部供电以及信号处理电路相连，达到实时监测的目的。

防尘罩7用于防护电路板受潮，将其固定于角度检测电路的外侧。

一种线性磁力阻尼定位器及其倾角检测系统的实施方案二如图6所示，采用导电塑料传感器10直接与转轴201相连作为角度检测，可以节约安装空间，减少零件个数。导电塑料电位器的功能是把一个机械位移转换成电气信号，并且该信号能够与机械运动成正比。

一种线性磁力阻尼定位器及其倾角检测系统的实施方案三如图7所示，直接使用联轴器11来与导电塑料传感器10连接，简化了轴的加工难度。

本发明经过Ansoft公司提供的商业电磁软件Maxwell 2D，以及电磁解析法进行计算检验，结果证明，该特殊的永久磁铁形状以及其分布结构可以输出和角度偏转呈线性关系的阻尼力矩。