专利摘要

本发明摩擦阻尼与驱动限位执行器，包括阻尼/驱动装置、摩擦阻尼装置、限位锁死/解锁装置以及贯穿设置在所述阻尼/驱动装置、所述摩擦阻尼装置及所述限位锁死/解锁装置内的旋转组件；其中所述限位锁死/解锁装置包括限位小球及限位机构；所述限位小球与所述限位机构之间相互吸引或相互排斥，实现锁定或解锁。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：可以实现对被执行部件进行高效地制动、锁死、解锁和驱动等一系列动作，可同时对高速制动和低速制动产生理想地制动效果，可高效地利用电磁阻尼作用过程中转化的电能来进行电磁驱动，实现能量的再利用。

权利要求

1.一种摩擦阻尼与驱动限位执行器，其特征在于，包括阻尼驱动装置、摩擦阻尼装置、限位锁死解锁装置以及贯穿设置在所述阻尼驱动装置、所述摩擦阻尼装置及所述限位锁死解锁装置内的旋转组件；其中

所述限位锁死解锁装置包括限位小球及限位机构；所述限位小球与所述限位机构之间相互吸引或相互排斥，实现锁定或解锁；

所述限位机构包括：

限位套筒，所述限位套筒为对称锥面结构，所述限位小球布置在所述限位套筒的对称锥面上；

限位驱动单元，所述限位驱动单元布置在所述限位套筒的对称锥面上，所述限位驱动单元位于所述限位小球的外侧；所述限位小球与所述限位驱动单元之间相互吸引或相互排斥，实现锁定或解锁；

所述旋转组件贯穿设置在所述限位套筒内，所述限位小球与所述旋转组件接触。

2.根据权利要求1所述的摩擦阻尼与驱动限位执行器，其特征在于，所述摩擦阻尼装置包括：

阻尼套筒，所述阻尼套筒为楔形套筒；

摩擦小球，所述摩擦小球布置在所述阻尼套筒的内壁上；

阻尼驱动单元，所述阻尼驱动单元布置在所述阻尼套筒的内壁上，所述摩擦小球与所述阻尼驱动单元之间相互吸引或相互排斥，实现锁定或解锁；

所述旋转组件贯穿设置在所述阻尼套筒内，所述摩擦小球与所述旋转组件接触。

3.根据权利要求2所述的摩擦阻尼与驱动限位执行器，其特征在于，多个所述摩擦小球沿着所述旋转组件的轴向方向等比分布；相邻的所述摩擦小球相切；所述阻尼套筒的内壁、所述旋转组件的侧面与所述摩擦小球相切。

4.根据权利要求3所述的摩擦阻尼与驱动限位执行器，其特征在于，所述摩擦小球的直径与所述阻尼套筒内壁的倾斜角之间的关系满足：

式中，rn为第n个所述摩擦小球的直径，n为所述摩擦小球的数量，θ为所述阻尼套筒内壁的倾斜角。

5.根据权利要求2所述的摩擦阻尼与驱动限位执行器，其特征在于，在所述阻尼套筒内填充有相变材料。

6.根据权利要求1所述的摩擦阻尼与驱动限位执行器，其特征在于，所述阻尼驱动装置包括：

永磁体，所述永磁体包裹在所述旋转组件外侧；

高匝线圈，所述高匝线圈固定于所述永磁体外侧；其中

所述永磁体沿所述旋转组件的轴向同极性串联。

7.根据权利要求6所述的摩擦阻尼与驱动限位执行器，其特征在于，在所述永磁体与所述高匝线圈之间设有保护套。

8.根据权利要求1所述的摩擦阻尼与驱动限位执行器，其特征在于，所述阻尼驱动装置包括：

齿条，所述齿条沿所述旋转组件的轴向设置在所述旋转组件外侧；

涡流缓速机构，所述涡流缓速机构与所述齿条啮合。

9.根据权利要求8所述的摩擦阻尼与驱动限位执行器，其特征在于，所述涡流缓速机构包括：

涡流盘，所述涡流盘为齿轮状，所述涡流盘与所述齿条啮合；

导磁组件，多个所述导磁组件设置在所述涡流盘上；其中

所述导磁组件包括：

线圈，两个所述线圈通过导磁盘间隔设置在所述涡流盘上；

导磁轴，所述导磁轴的两端分别连接两侧的所述线圈。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁与摩擦阻尼缓冲装置，特别涉及一种新型的电磁摩擦阻尼与驱动限位的执行器，缓冲制动是机械领域最为常见的非稳态工况，其缓冲制动性能与制动装置有着十分重要的联系，电磁阻尼和摩擦阻尼均可用于机构安全制动，本发明设计了同时具有电磁阻尼和摩擦阻尼的制动限位装置，且可进行电控解锁与电磁驱动的一种新型执行器。

背景技术

根据电磁感应定律可知，当磁棒进入线圈时会产生感应电场，该磁场总是阻碍磁棒的相对运动，形成对磁棒的制动力，该现象称为电磁阻尼。根据电磁阻尼原理制作的电磁制动器具有结构简单，制动力可控，初级和次级之间没有接触等优点。因此在空间对接、高铁制动等工程领域得到广泛应用。电磁阻尼力在产生过程中，没有任何材料的磨损和破坏，而且在制动的同时还伴随有感应电动势的产生，可将消耗的动能转化为电能，然后利用储能装置存储电能，实现能量重复利用。然而，电磁阻尼在很大程度上受被制动件的速度影响，对于高速被制动件，线圈能瞬间产生较大的感应电场和感应电动势，从而达到良好制动效果；而对于较低速度的被制动件电磁制动效果大打折扣。基于电磁和摩擦的复合阻尼器可以有效地弥补电磁阻尼器的不足，可以协调地分配电磁阻尼和摩擦阻尼的作用占比：当被执行器高速进入线圈时，电磁阻尼装置可显著消耗大部分动能并转化为电能进行存储，有效地较少摩擦耗能装置的负担，减少摩擦副界面的磨损与破坏；当被执行器低速进入线圈时，电磁阻尼装置则效果较小，制动主要由摩擦阻尼装置完成，此时由于速度较小，摩擦阻尼力与速度完全不相关，所以滑动摩擦阻尼可高效地进行制动动作，迅速将动能转化为内能。由于速度较小，相对滑移距离较短，所以由摩擦引起的磨损较小。

电涡流缓速器的工作原理可表述为，定子线圈通电产生磁场，而转子随传动轴一起转动，此时转子切割定子产生的磁力线，从而在转子盘内部产生涡旋状的感应电流。这样，定子就会向转子施加一个阻碍转子旋转的电磁力，从而产生制动力矩。同时，涡流在具有一定电阻的转子盘内部流通，由于电阻的热效应会将电能转化为热能，这样可将缓冲时待消耗的机械能最终转化为热能散发。电涡流制动效果在高速短时间内极为显著，其瞬态制动力矩较大，故对中高速传动轴的急停制动具有十分有益的效果。

摩擦阻尼是比较传统的机械式制动原理，通过接触表面的摩擦阻力做功，将机械能转化为内能。摩擦阻尼器由于结构简单、耗能能力强、不受载荷频率影响等特点，在机械工程领域中得到广泛应用。因为摩擦力和频率与速度没有关系，所以摩擦阻尼器是一种与位移关系很大的特殊阻尼器。由于摩擦耗能在工作中主要历经附着于滑动两种状态，其耗能制动效果主要取决于法向压力与接触面的摩擦系数。当外载荷小于阻尼器的最大静摩擦力时，该阻尼器就表现为静止状态，一旦外载荷大于阻尼器的最大静摩擦力，该阻尼器就表现为滑动状态。合理设计摩擦制动装置极为关键，现有的粘弹性摩擦阻尼器接触面较大，主要以面接触为主，产生法向总压力较小，且面接触摩擦系数较小，从而很难获得较为理想的摩擦阻尼效果。以多球点接触的摩擦阻尼装置可以产生极大地法向压力，且由于椭圆接触（点接触主要形式）产生的赫兹接触压力可达到GPa以上，从而形成较高的剪切力，产生较大的摩擦系数；最终可显著放大摩擦阻尼效应。对于现有的限位锁死/解锁装置种类较多，但是其功能较为单一，很少既能实现限位锁定又能实现解锁驱动。

电磁式能量收集技术利用电磁感应原理将振动能量转化为电能。线圈与磁铁之间发生相对运动，使得线圈中磁通量发生变化，由法拉第电磁感应定律知，磁通量的变化使得回路线圈内产生感应电动势，继而产生电流，从而将振动能量转换为电能。电磁式振动能量收集装置根据线圈与磁铁之间相对运动形式不同分为两类：一类是直线型，另一类是转动型。直线型电磁能量收集是线圈和永磁体之间发生直线往复式的相对运动，改变磁通量实现能量转化；转动型电磁能量收集通过将振动转化为旋转运动，改变磁通量实现能量转化。由于磁铁运动速度的不稳定，导致线圈中感应电动势不稳定，所以需要一个蓄电池装置进行电能存储，为之后的驱动动作提供电能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种解决上述技术问题的摩擦阻尼与驱动限位执行器。

为了解决上述技术问题，本发明摩擦阻尼与驱动限位执行器，包括阻尼驱动装置、摩擦阻尼装置、限位锁死解锁装置以及贯穿设置在所述阻尼驱动装置、所述摩擦阻尼装置及所述限位锁死解锁装置内的旋转组件；其中所述限位锁死解锁装置包括限位小球及限位机构；所述限位小球与所述限位机构之间相互吸引或相互排斥，实现锁定或解锁。

优选地，所述限位机构包括：

限位套筒，所述限位套筒为对称锥面结构，所述限位小球布置在所述限位套筒的对称锥面上；

限位驱动单元，所述限位驱动单元布置在所述限位套筒的对称锥面上，所述限位驱动单元位于所述限位小球的外侧；所述限位小球与所述限位驱动单元之间相互吸引或相互排斥，实现锁定或解锁；

所述旋转组件贯穿设置在所述限位套筒内，所述限位小球与所述旋转组件接触。

优选地，所述摩擦阻尼装置包括：

阻尼套筒，所述阻尼套筒为楔形套筒；

摩擦小球，所述摩擦小球布置在所述阻尼套筒的内壁上；

阻尼驱动单元，所述阻尼驱动单元布置在所述阻尼套筒的内壁上，所述摩擦小球与所述阻尼驱动单元之间相互吸引或相互排斥，实现锁定或解锁；

所述旋转组件贯穿设置在所述阻尼套筒内，所述摩擦小球与所述旋转组件接触。

优选地，多个所述摩擦小球沿着所述旋转组件的轴向方向等比分布；相邻的所述摩擦小球相切；所述阻尼套筒的内壁、所述旋转组件的侧面与所述摩擦小球相切。

优选地，所述摩擦小球的直径与所述阻尼套筒内壁的倾斜角之间的关系满足：

式中，rn为第n个所述摩擦小球的直径，n为所述摩擦小球的数量，θ为所述阻尼套筒内壁的倾斜角。

优选地，在所述阻尼套筒内填充有相变材料。

优选地，所述阻尼驱动装置包括：

永磁体，所述永磁体包裹在所述旋转组件外侧；

高匝线圈，所述高匝线圈固定于所述永磁体外侧；其中

所述永磁体沿所述旋转组件的轴向同极性串联。

优选地，在所述永磁体与所述高匝线圈之间设有保护套。

优选地，所述阻尼驱动装置包括：

齿条，所述齿条沿所述旋转组件的轴向设置在所述旋转组件外侧；

涡流缓速机构，所述涡流缓速机构与所述齿条啮合。

优选地，所述涡流缓速机构包括：

涡流盘，所述涡流盘为齿轮状，所述涡流盘与所述齿条啮合；

导磁组件，多个所述导磁组件设置在所述涡流盘上；其中

所述导磁组件包括：

线圈，两个所述线圈通过导磁盘间隔设置在所述涡流盘上；

导磁轴，所述导磁轴的两端分别连接两侧的所述线圈。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：可以实现对被执行部件进行高效地制动、锁死、解锁和驱动等一系列动作，可同时对高速制动和低速制动产生理想地制动效果，可高效地利用电磁阻尼作用过程中转化的电能来进行电磁驱动，实现能量的再利用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明摩擦阻尼与驱动限位执行器实施例一结构示意图；

图2为本发明摩擦阻尼与驱动限位执行器实施例二结构示意图；

图3为本发明摩擦阻尼与驱动限位执行器的摩擦小球周向分布示意图；

图4为本发明摩擦阻尼与驱动限位执行器的摩擦小球轴向分布示意图；

图5为本发明摩擦阻尼与驱动限位执行器的摩擦小球受力图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明采用电磁阻尼和摩擦阻尼结合的复合阻尼制动，且利用能量转化规律将电磁线圈产生的电能通过蓄电池存储技术实现制动与自驱动。本发明中的电磁摩擦阻尼复合制动设计可以有效对高速工作部件和低速工作部件进行制动，并且保持该阻尼装置的安全与可靠性，可实现多次重复使用，其使用寿命较单一电磁阻尼装置和摩擦阻尼装置高很多。

请参考图1～图5，图1为本发明摩擦阻尼与驱动限位执行器结构与原理示意图。如图1所示，摩擦阻尼与驱动限位执行器包括三大部分：电磁力阻尼/驱动装置、摩擦阻尼装置、限位锁死/解锁装置。其中，电磁阻尼/驱动装置包括：永磁体和高匝线圈；摩擦阻尼装置包括：楔形阻尼套筒、摩擦小球和阻尼驱动单元（弹性或永磁/电磁驱动单元）；限位锁死/解锁装置包括：限位小球和限位驱动单元（弹性或永磁/电磁驱动单元）。

本发明采用电磁阻尼和摩擦阻尼结合的复合阻尼制动，且利用能量转化规律将电磁线圈产生的电能通过蓄电池存储技术实现制动与自驱动。本发明可高效地利用电磁感应产生的电能和有效地减小摩擦小球与支承轴侧面的滑移距离，从而减少磨损体积与磨损深度。

结合图1、图3、图4和图5阐述本发明中摩擦阻尼缓冲限位执行器的原理。如图1所示，设置在外套筒109内的永磁体101周向固定于旋转组件（包括支承轴104、内转轴105、安装键106和旋转电机107）中的支承轴104，且永磁体101外部由保护套103围绕，与支承轴104固结形成缓冲器动子机构，沿支承轴104的轴向同极性串联。高匝线圈102外接负载，形成闭合回路。摩擦阻尼装置包括阻尼驱动单元113、摩擦小球114及阻尼套筒115。限位锁死/解锁装置包括限位套筒111、限位小球112及限位驱动单元110。动子沿任一单向运动，永磁体101与高匝线圈102相对运动，高匝线圈102切割永磁体101磁力线。当永磁体101接近即将进入的高匝线圈102时，高匝线圈102切割永磁体101磁通量增大，由楞次定律可知，高匝线圈102产生感应电势，并经闭合回路产生感应电流进而产生感应磁场，该磁场方向与永磁体1磁场方向相反，对永磁体101表现为电磁阻力；当永磁体101离开高匝线圈102时，原磁通量减小，感应电流产生的磁场方向与永磁体101磁场方向相同，对永磁体101表现为电磁吸力。两种情况下电磁力的方向均与运动方向相反，宏观表现为电磁阻尼作用。永磁体1与高匝线圈102线性阵列，电磁阻尼呈叠加规律。同时，在外套筒109内安装位移监测器108，进行实时监测及反馈。

如图3、图4和图5所示，摩擦阻尼装置中最优摩擦小球（114、214）排布为轴向为两两相外切，周向为等数分布。摩擦小球（114、214）的直径与阻尼套筒（115、215）内壁的倾斜角θ之间的关系满足：

式中， 为第n个摩擦小球（114、214）的直径，n为摩擦小球（114、214）的数量，θ为阻尼套筒（115、215）内壁的倾斜角。摩擦小球（114、214）与支承轴（104、208）侧面产生的总的摩擦热和摩擦阻力可由公式（1）和（2）求得。

公式（1）：

公式（2）：

式中，分别为预推力、楔形角、摩擦小球（114、214）与支承轴（104、208）侧面摩擦系数、最大摩擦小球（114、214）半径、支承轴（104、208）直径、最小摩擦小球（114、214）半径、最大摩擦小球（114、214）质量和滑移距离。当支承轴（104、208）刚刚进入高匝线圈，支承轴（104、208）与摩擦小球（114、214）产生法向作用力和摩擦力，在此为了保持摩擦小球（114、214）与支承轴（104、208）一直纯滑动，则要求摩擦小球（114、214）不能发生自旋，即与摩擦小球（114、214）相切的阻尼套筒（115、215）的楔形内壁必须粗糙，使得摩擦小球（114、214）与支承轴（104、208）的滑动摩擦力小于摩擦小球（114、214）与阻尼套筒（115、215）的楔形内壁的静摩擦力，这样才能保证摩擦小球（114、214）只发生纯滑动，从而实现摩擦阻尼最大化。当摩擦阻尼装置将动能降低到安全锁死值，则改变限位锁死/解锁装置中的限位驱动单元的作用力方向，同时使限位小球相向运动形成挤压，此前在电磁阻尼和摩擦阻尼装置工作的限位小球则处于与限位驱动单元相互吸引状态以保证不锁死。

结合图2、图3、图4和图5阐述本发明中的电涡流摩擦阻尼缓冲限位执行器的原理。如图2所示，工作时，支承轴208、内转轴216、旋转电机212作为整体保持静止；外套筒201、涡流缓速机构202、摩擦阻尼装置203、限位锁死/解锁装置205整体向下运动。齿条207上设有连接环（204、206），运动过程中，齿条207啮合运动将直线运动转化为转动传递至涡流盘217，由于通电线圈218在涡流盘产生阻尼力矩，从而抑制支承轴208运动；摩擦阻尼装置203中小球产生摩擦阻尼，运动完成时限位锁死/解锁装置205对运动轴进行锁死。限位锁死/解锁装置205，旋转电机212工作，转动内转轴216，由于内转轴216底端约束，内转轴216反作用支承轴208使得支承轴208向上运动（支承轴208与内转轴216螺纹配合，支承轴208内开有限位槽，电机配有凸台，保证电机不随支承轴208转动）。同时，可通过涡流缓速机构202，线圈218（线圈218之间通过铁芯导磁轴219连接、外设有导磁盘221）加载交变电流，使得涡流盘217产生主动力矩，传动支承轴208向上运动。支承轴208运动过程，可通过传动涡流盘217上的光栅测速装置220进行位移实时监测。

摩擦阻尼装置203包括阻尼套筒215、摩擦小球214及阻尼驱动单元213。工作原理与上述实施例一相同。

限位锁死/解锁装置205工作原理可表述为：当支承轴208处于缓冲阶段时，限位套筒211的对称锥面上的限位小球210受限位驱动单元209拉力作用，均处于解锁状态；当支承轴208缓冲结束，限位小球210受限位驱动单元209推力作用，均处于锁死状态。当反向驱动需求启动，对称锥面右侧的限位小球210完全解锁，左侧的限位小球210则受限位驱动单元209小推力作用以保证驱动过程出现后溜时，支承轴能够安全自锁。

上述实施方式中给出的新型的电磁摩擦阻尼与驱动限位的执行器原理及结构方案能够实现电磁阻尼和摩擦阻尼结合的复合阻尼的优势互补性制动，且利用能量转化规律将电磁线圈产生的电能通过蓄电池存储技术实现制动与自驱动。本发明中的电磁摩擦阻尼复合制动设计可以同时有效对高速工作部件和低速工作部件进行制动，并且保持该阻尼装置的安全与可靠性，可实现多次重复使用，其使用寿命较单一电磁阻尼装置和摩擦阻尼装置高很多。电磁摩擦复合阻尼制动技术可以大幅度减少永磁体数量和作用总行程从而显著减小总重量，达到轻量化设计要求，同时保持较高的制动力和能量转化效率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

摩擦阻尼与驱动限位执行器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。