一种应用于工程中的混合式变刚度磁弹簧

1.本实用新型涉及磁弹簧技术领域，具体为一种电磁线圈和永磁铁的混合应用的变刚度磁弹簧。


背景技术：

2.近些年来，利用永磁体间磁力相互作用的永磁弹簧，由于拥有无机械接触、无磨损、功耗低、寿命长、噪音小、无需润滑、不发热等优点，可以取代金属弹簧用于快速机械响应机构，越来越广泛的应用于各种各样的工业领域，并且逐步向人们的日常生活中普及。随着技术的发展和工程的需求，传统的变刚度弹簧，虽然满足工程上对于刚度调节需求，但也显露出短板和不足，例如传统变刚度弹簧有着刚度调节曲线单一、难以实现刚度自我调节、刚度调节的响应速度慢和灵敏度低等问题。本实用新型利用控制电磁线圈的输入电流的方法，影响线圈内环形永磁体的磁力强弱，实现控制滑动环形永磁体所受的相互作用力，这种控制方法能获得多种不同的刚度曲线，并使得该实用新型的变刚度响应速度、灵敏度和调节范围相较于传统的变刚度弹簧有很大程度的提升，因此该实用新型可以很好地解决上述问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种应用于工程中的混合式变刚度磁弹簧，通过控制两侧电磁线圈的输入电流影响固定环形永磁体对滑动环形永磁体的磁力，完成装置刚度调节。
4.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种应用于工程中的混合式变刚度磁弹簧，包括输出轴和外壳，所述输出轴外设有滑动环形永磁体；所述输出轴的两侧对称设置固定环形永磁体，且固定环形永磁体置于线圈壳内，所述线圈壳内缠有电磁线圈；
5.所述外壳内部设有空腔，且滑动环形永磁体置于空腔内；所述外壳设有限位结构，用于限制固定环形永磁体、线圈壳和电磁线圈轴向移动；
6.所述滑动环形永磁体与两侧的固定环形永磁体呈轴向同极相对布置。
7.所述输出轴直径小于固定环形永磁体的内径，所述外壳与输出轴间设有直线轴承。
8.所述外壳的两端设有轴承端盖，用于限制直线轴承轴向活动，所述的输出轴穿过轴承端盖。
9.所述输出轴与滑动环形永磁体固定连接，且输出轴位于滑动环形永磁体正中处。
10.所述外壳为两个半周向壳体，且两个半周向壳体通过螺栓相连接。
11.与现有技术相比，本实用新型的优势是：
12.(1)本实用新型设计了一种新型混合式变刚度磁弹簧，相比于传统的变刚度弹簧，具有响应速度快，灵敏度高，刚度调整范围更大等优势。
13.(2)本实用新型通过控制电磁线圈输入电流的大小和方向，影响固定环形永磁体
对于滑动环形永磁体的磁场合力，实现装置整体刚度的快速调节，通过这种控制方法可获得多种不同的刚度调节曲线。
14.(3)本实用新型在通电模式时，作为新型的变刚度磁弹簧使用，在无电流模式时，可作为传统的永磁弹簧使用，实现一机两用。
附图说明
15.图1为本实用新型的外壳半刨后立体结构示意图。
16.图2为本实用新型的沿外壳分界面的剖视图。
17.图3为本实用新型的立体外观示意图。
18.图4为本实用新型的静态磁场分布图。
19.图5a为本实用新型的永磁体间的相互作用力示意图。
20.图5b为本实用新型的永磁体间的相互作用力示意图。
[0021]1‑
输出轴、2
‑
外壳、3
‑
线圈壳、4
‑
滑动环形永磁体、5
‑
固定环形永磁体、 6
‑
电磁线圈、7
‑
直线轴承、8
‑
轴承端盖。
具体实施方式
[0022]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0023]
请参阅图1、2、3、4、5a和5b，本实用新型提供一种技术方案：一种应用于工程中的混合式变刚度磁弹簧，包括输出轴1和外壳2，输出轴1外设有滑动环形永磁体4；固定环形永磁体5沿输出轴1两侧对称布置，且固定环形永磁体5置于线圈壳3内，线圈壳3内缠有电磁线圈6；
[0024]
其中输出轴1与滑动环形永磁体4呈固定连接，且输出轴1位于滑动环形永磁体4正中处，这样滑动环形永磁体4与两侧固定环形永磁体5的距离相同。滑动环形永磁体4与两侧的固定环形永磁体5呈轴向同磁极相对布置。如图5a和5b所示。
[0025]
外壳2内部设有空腔，且滑动环形永磁体4置于空腔内，空腔能够保证滑动环形永磁体4进行固定行程的轴向位移；外壳2上有限位结构，用于限制固定环形永磁体5、线圈轴3和环形线圈6轴向移动。
[0026]
输出轴1直径小于固定环形永磁体5的内径，外壳2与输出轴1间设有直线轴承7，直线轴承7使得输出轴1沿轴向双向运动。外壳2的两端设有轴承端盖8，用于限制直线轴承7轴向偏移，且输出轴1可穿过轴承端盖8轴向移动。
[0027]
外壳2为两个半周向壳体，且两个半周向壳体通过螺栓相连接，将整个变刚度结构包裹在内，外壳2采用铝合金材料，可有效减少漏磁现象。
[0028]
本实用新型还提供一种应用于工程中的混合式变刚度磁弹簧的控制方法：
[0029]
1)通电时，由于同向磁极互斥原理，无外力作用时，在两侧固定环形永磁体5的合力下，滑动环形永磁体4和输出轴1将维持在装置的平衡位置；外力作用时，滑动环形永磁体4和输出轴1通过直线轴承7实现沿轴向的双向偏移，随着永磁体间气隙变化，滑动环形永磁
体所受合力也变化，且呈现出设计好的刚度曲线关系；
[0030]
2)未通电时，两侧的固定环形永磁体5和中间的滑动环形永磁体4组成传统的永磁弹簧，实现一机二用的效果，拓展了适用的范围；
[0031]
3)由于磁场叠加原理，电磁线圈通电可分为两种情况，当电磁线圈6通入增益电流时，产生的磁场与固定环形永磁体5的磁场同向，永磁体间磁场强度增强，滑动环形永磁体4所受斥力增大；当电磁线圈6通入减损电流时，产生的磁场与固定环形永磁体5的磁场反向，永磁体间磁场强度减弱，滑动环形永磁体4所受斥力减小。
[0032]
工作原理：当装置受到外力时，模式一：电磁线圈不通电，滑动环形永磁体4带动输出轴1偏离中心位置，永磁体间回复力与永磁体间气隙呈固定关系改变，此时为节能模式；模式二：改变电磁线圈6中的输入电流，可实现永磁体间回复力与永磁体间气隙呈设计好的刚度曲线关系变化，进而更好的适应实际要求，该实用新型具有结构简便、刚度曲线变化多样，刚度调节响应速度快、变化灵敏度高等特点。
[0033]
下面结合实例进一步分析解释本实用新型。
[0034]
在柔性机器人的变刚度关节中使用上述磁弹簧，关节的刚度由电磁线圈的输入电流控制，因此刚度调整速度远高于传统机械结构，通过控制电磁线圈的输入电流大小和方向可实现快速调节滑动环形永磁体所受磁场合力，实现关节刚度的快速调节；在不通电的情况下，该磁弹簧可以充当传统的机械式永磁弹簧，仍能维持机器人关节部分正常工作，该装置多样的控制方式使其能够适应更加复杂的工作环境，满足更广泛的市场需求。
[0035]
尽管已经给出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。