專利名稱：一種驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)體的方法和電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)體的方法和電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。更確切地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種通過(guò)電磁力驅(qū)動(dòng)，可使嬰兒或兒童的搖椅、搖床、秋千、木馬、玩具等類似擺動(dòng)體自動(dòng)搖擺的驅(qū)動(dòng)方法和電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
人們一直希望有這樣一種機(jī)構(gòu)，以電能為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)?jì)雰夯騼和膿u椅、搖床、秋千、木馬、玩具等類似的擺動(dòng)體(以下簡(jiǎn)稱擺動(dòng)體)，不需要有人推拉就能使其象蕩秋千一樣地?cái)[動(dòng)自如。這種擺動(dòng)體的主體結(jié)構(gòu)通常是，有兩根(個(gè)別情況下可以是一根)懸掛在水平軸上的懸臂，懸臂的底端固定連接著搖椅，靠設(shè)在兩端的支腿的支撐(也可以是其它支撐方式)，水平軸被設(shè)置在一定的水平高度上。在外力的驅(qū)動(dòng)下，座椅連同懸臂以水平軸心為圓心，作弧形擺動(dòng)。
通常外力有兩種施加方式，一種是外力驅(qū)使水平軸(以下稱為轉(zhuǎn)動(dòng)軸)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的懸臂，并通過(guò)懸臂帶動(dòng)搖椅作弧形擺動(dòng)；另一種是當(dāng)搖椅運(yùn)動(dòng)至某一位置時(shí)，外力直接施加在搖椅底部，使搖椅和懸臂以水平軸為中心作弧形擺動(dòng)。在已公開的技術(shù)中，發(fā)明者大多采用由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置適時(shí)地向轉(zhuǎn)動(dòng)軸施以撥動(dòng)力，維持?jǐn)[動(dòng)體的擺動(dòng)。其中的代表者如美國(guó)專利US4722521，歐洲專利EP0286321等。另有一些發(fā)明者提出的方案是，適時(shí)地向電磁線圈通電，利用通電后線圈產(chǎn)生的磁力驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)的磁芯作直線運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)相連接的機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置帶動(dòng)水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如美國(guó)專利US4616824，US4491317等。而美國(guó)專利US3883136和日本專利JP53074953等提出的方法是，在擺動(dòng)體的下面安裝一塊永久磁鐵，在擺動(dòng)體的下方與支架相連的固定位置上安裝一個(gè)能夠產(chǎn)生與永久磁鐵極性相同的電磁鐵和一個(gè)磁性繼電開關(guān)，當(dāng)搖擺體擺動(dòng)經(jīng)過(guò)時(shí)，永久磁鐵吸引磁性繼電開關(guān)閉合，使電磁鐵產(chǎn)生磁性，電磁鐵與永久磁鐵相對(duì)的同性磁極之間產(chǎn)生的排斥力推動(dòng)永久磁鐵連同擺動(dòng)體往復(fù)地?cái)[動(dòng)。
但是，現(xiàn)有的這些解決方案都存在著許多不足。用電機(jī)或線圈驅(qū)動(dòng)磁芯作為動(dòng)力源需要將旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)的力轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)軸的撥動(dòng)力，而轉(zhuǎn)換過(guò)程主要是靠機(jī)械裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，效率比較低，施力時(shí)有震動(dòng)感，噪音較大，當(dāng)然制造成本也比較高；此外采用這種驅(qū)動(dòng)方式的擺動(dòng)體的擺動(dòng)周期往往是固定的，不但懸臂的長(zhǎng)度不能調(diào)節(jié)，過(guò)大的載荷的變化也會(huì)因摩擦阻力和空氣阻力的變化而對(duì)擺動(dòng)體的擺動(dòng)周期產(chǎn)生影響。而US3883136和JP53074953提出的驅(qū)動(dòng)的方法，因只有一個(gè)磁極相互作用，而且永久磁鐵與電磁鐵的鐵芯之間的距離難以控制得比較小，因而效率也比較低；再者，如何確保磁性繼電開關(guān)閉合時(shí)擺動(dòng)體已越過(guò)中間位置，不至于由于尚未越過(guò)中間位置時(shí)繼電開關(guān)就閉合而對(duì)擺動(dòng)體施以反推力；也是這種方法需要解決的問(wèn)題；另外，擺動(dòng)著的擺動(dòng)體與布置在地面上電磁鐵間相對(duì)位置的交替變化，有可能會(huì)夾傷小孩，引出安全的問(wèn)題。正是因?yàn)楝F(xiàn)有的擺動(dòng)體的驅(qū)動(dòng)方法和其實(shí)現(xiàn)方案存在著諸多問(wèn)題，許多自動(dòng)搖擺的擺動(dòng)體沒有被廣泛地市場(chǎng)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、噪音小、安全可靠的驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)體的方法和電磁力驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)體自動(dòng)搖擺的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明人研究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下方法得以實(shí)現(xiàn)以永久磁鐵作定子，以纏繞著工作線圈和感應(yīng)線圈的電磁鐵芯為轉(zhuǎn)子，通過(guò)從感應(yīng)線圈獲得的感應(yīng)電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的區(qū)位信號(hào)控制工作線圈的電流方向和作用區(qū)位，或通過(guò)從感應(yīng)線圈獲得的感應(yīng)電流控制工作線圈的電流方向，使轉(zhuǎn)子的磁極適時(shí)地變換，轉(zhuǎn)子和定子之間的磁場(chǎng)力相互作用，交替、脈沖地使轉(zhuǎn)子獲得與其轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同的力矩，并帶動(dòng)與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連的擺動(dòng)體自動(dòng)地?fù)u擺。
本發(fā)明人研究實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)電磁力作用區(qū)位的大小或電源電壓，均可以有效地調(diào)節(jié)擺動(dòng)體的擺幅。
本發(fā)明人研究實(shí)驗(yàn)另外還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)需要讓擺動(dòng)體快速停止時(shí)，以與工作狀態(tài)正好相反的電流向轉(zhuǎn)子的工作線圈供電，這時(shí)，轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)力的作用方向與工作狀態(tài)正好相反，可使轉(zhuǎn)子獲得一個(gè)反推力矩，使擺動(dòng)體在較短的時(shí)間內(nèi)停止搖擺。
按照上述方法實(shí)現(xiàn)的擺動(dòng)體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成●擺動(dòng)部分包括由纏繞著工作線圈和感應(yīng)線圈的電磁鐵芯和穿過(guò)電磁鐵芯的轉(zhuǎn)動(dòng)軸等組成的轉(zhuǎn)子和與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連的擺動(dòng)體等；●固定部分包括由磁極對(duì)應(yīng)的弧形永久磁鐵和固定永久磁鐵的固定套組成的定子，支撐轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸承，殼體等；●電氣和控制部分包括為轉(zhuǎn)子和擺動(dòng)體的擺動(dòng)提供動(dòng)力的工作電路和控制工作電路工作的控制電路等。
本發(fā)明的擺動(dòng)體電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)關(guān)系和工作原理與直流電機(jī)大體相似，所不同的是，后者轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的變化的結(jié)果是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿同一方向不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，而前者轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)變化的結(jié)果是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子在一定的擺幅內(nèi)左右來(lái)回?cái)[動(dòng)。由于磁場(chǎng)力直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子并帶動(dòng)擺動(dòng)體擺動(dòng)，沒有其它機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，因而其效率顯然高于采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)或線圈驅(qū)動(dòng)鐵芯的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；另外，轉(zhuǎn)子被定子的磁場(chǎng)所包圍，轉(zhuǎn)子的各個(gè)部位都受到磁場(chǎng)力的一致作用，且轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙很容易加工得比較小，因而磁損小，與其它電磁驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)體的結(jié)構(gòu)相比，效率也明顯要高。這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的高效率的意義不僅僅在于節(jié)約電能本身，更重要的是，當(dāng)在沒有交流電源或不用交流電源而只用電池供電的場(chǎng)合，可以大大延長(zhǎng)工作時(shí)間。當(dāng)然，這種電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)也意味著其噪音特別小。
理論上講，定子采用永久磁鐵而轉(zhuǎn)子采用電磁鐵芯，或者定子采用電磁鐵芯而轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵都可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，但綜合考慮加工難度等因素，定子采用永久磁鐵而轉(zhuǎn)子采用電磁鐵芯的結(jié)構(gòu)更為合理。
定子和轉(zhuǎn)子的相互作用的磁極數(shù)目最好相等，且當(dāng)擺動(dòng)體處于中垂線位置(自由靜止?fàn)顟B(tài))時(shí)，轉(zhuǎn)子和定子的磁極方位剛好相間布置，這樣擺動(dòng)體以中垂線位置為中心左右擺動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子的受力情況最好。
定子或轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)應(yīng)當(dāng)是偶數(shù)，且至少是兩個(gè)極。
工作電路的主要作用是為工作線圈提供啟動(dòng)和維持?jǐn)[動(dòng)體擺動(dòng)所需的能量。工作電源可以是經(jīng)過(guò)整流器整流后的直流電或電池。為了保證人身安全，工作電源的電壓最好為3至36伏。
控制電路的主要作用是，在工作狀態(tài)下，通過(guò)控制工作電流的方向和作用區(qū)位，或僅僅控制工作電流的方向，使轉(zhuǎn)子交替、脈沖獲得與其轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同的力矩；而在停車狀態(tài)，控制工作電流的方向和作用區(qū)位，或僅僅控制工作電流的方向，使轉(zhuǎn)子交替、脈沖獲得與其轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的力矩。
控制電路可以通過(guò)在工作電路上串聯(lián)電流方向控制單元和區(qū)位控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)；也可以在工作電路上只設(shè)置電流方向控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。
所說(shuō)的電流方向控制單元指得是，轉(zhuǎn)子隨擺動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)線圈切割定子磁場(chǎng)的磁力線產(chǎn)生感生電勢(shì)，控制電路導(dǎo)通后產(chǎn)生感生電流，感生電勢(shì)和感生電流的方向隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向變化而變化，此感生電流經(jīng)直流放大電路放大后(也可以不經(jīng)過(guò)放大)，交替地導(dǎo)通電流方向可交替變換的工作電路，使工作狀態(tài)下施加在轉(zhuǎn)子上的磁場(chǎng)力的力矩始終保持與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向一致，而停車狀態(tài)時(shí)施加在轉(zhuǎn)子上的磁場(chǎng)力的力矩始終保持與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反。電流方向控制單元的實(shí)現(xiàn)方案可以有很多種，具有這一領(lǐng)域知識(shí)的專業(yè)人員可以以多種方式實(shí)現(xiàn)這一控制方案。
區(qū)位控制單元的功能是，當(dāng)擺動(dòng)著的擺動(dòng)體運(yùn)動(dòng)到某一給定的區(qū)位范圍內(nèi)(最好是以中垂線為中心的區(qū)位范圍內(nèi))時(shí)控制電路導(dǎo)通，帶動(dòng)工作電路導(dǎo)通，也就是說(shuō)，在這一區(qū)位內(nèi)電磁力向擺動(dòng)體施力；當(dāng)擺動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)位置超出這一區(qū)位時(shí)，控制電路斷開，導(dǎo)致工作電路斷開，擺動(dòng)體處于自然擺動(dòng)狀態(tài)。顯而易見，在由區(qū)位控制單元和電流方向控制單元串聯(lián)控制的控制電路中，只有當(dāng)兩個(gè)控制單元都滿足導(dǎo)通條件時(shí)，控制電路才能導(dǎo)通，工作電路電才能導(dǎo)通。由于在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)感應(yīng)電勢(shì)幾乎一直存在，使得電流方向控制單元在比較寬的區(qū)位范圍里具備導(dǎo)通條件，因而區(qū)位控制單元導(dǎo)通范圍的大小，也就決定了在擺動(dòng)體的擺幅內(nèi)轉(zhuǎn)子受電磁力作用區(qū)位的大小。換句話說(shuō)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)區(qū)位控制單元導(dǎo)通區(qū)位的大小來(lái)調(diào)節(jié)擺動(dòng)體擺幅的大小。在其它條件不變的情況下，區(qū)位控制單元導(dǎo)通區(qū)位的范圍越小，擺動(dòng)體的擺幅就越??；反之，擺動(dòng)體的擺幅就越大。
區(qū)位控制可以有多種實(shí)現(xiàn)方法，如一方隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而另一方相對(duì)固定著的由永久磁鐵和常開式干簧管組成的干簧管開關(guān)；由一方隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而另一方相對(duì)固定著的由擋光機(jī)構(gòu)和光電開關(guān)組成的光電開關(guān)；機(jī)械開關(guān)等。
調(diào)節(jié)擺動(dòng)體擺幅的大小也可以通過(guò)調(diào)節(jié)電源電壓的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
調(diào)節(jié)擺動(dòng)體擺幅的大小還可以采用調(diào)節(jié)區(qū)位控制單元導(dǎo)通區(qū)位的大小和調(diào)節(jié)電源的電壓兩種方式組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
上述靈活多樣的擺動(dòng)體擺幅調(diào)節(jié)方式可以使人們?cè)跀[動(dòng)體荷載變化的情況下很容易地調(diào)節(jié)擺動(dòng)體的擺幅。
所說(shuō)的在工作電路上只設(shè)置電流方向控制單元的控制電路，實(shí)際上相當(dāng)于區(qū)位控制單元在整個(gè)擺幅內(nèi)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)?；蛘哒f(shuō)，只用電流方向控制單元來(lái)控制工作電路。這種情況下，電磁力幾乎在擺動(dòng)體的整個(gè)擺幅內(nèi)一直施力，只有在擺動(dòng)體接近擺幅位置時(shí)的很小的范圍內(nèi)，由于擺動(dòng)體的擺動(dòng)速度過(guò)低，導(dǎo)致感應(yīng)電勢(shì)或感應(yīng)電流過(guò)低而不能導(dǎo)通工作電路，擺動(dòng)體才處于自由擺動(dòng)狀態(tài)。這時(shí)調(diào)節(jié)擺動(dòng)體擺幅的大小只能通過(guò)調(diào)節(jié)電源電壓的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
實(shí)現(xiàn)停車功能的方式實(shí)際上就是在工作電路上安裝一個(gè)雙向開關(guān)，停車時(shí)將工作線圈的供電方向反向，這時(shí)的工作電路導(dǎo)通時(shí)，電磁力向擺動(dòng)體施加一個(gè)反推力矩，使因慣性力擺動(dòng)著的擺動(dòng)體迅速停止擺動(dòng)。這種停車功能并非所有擺動(dòng)體所必需，但特別適合于用在象娛樂場(chǎng)所的大型秋千等大型擺動(dòng)體或有停車功能要求的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。
由于本發(fā)明的擺動(dòng)體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和特殊的控制方式，采用這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)體的擺動(dòng)周期是可以變化的，換句話說(shuō)，可以允許調(diào)節(jié)擺動(dòng)體懸臂的長(zhǎng)度。這種可以調(diào)節(jié)懸臂長(zhǎng)度的功能滿足了人們對(duì)靈活性的要求。譬如，將嬰兒搖椅的懸臂制作成可伸縮的結(jié)構(gòu)，可以更好地滿足不同年齡階段不同情況下嬰兒的要求。
本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安全性特點(diǎn)十分突出。首先，用低電壓的直流電驅(qū)動(dòng)保證了用電安全；其次，當(dāng)擺動(dòng)體因非正常原因被卡住時(shí)，由于轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)線圈無(wú)感應(yīng)電勢(shì)，控制電路無(wú)感應(yīng)電流，工作電路自動(dòng)斷電，從而可以避免由此造成的人身傷害或機(jī)械損壞；再者，這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)的其它驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，當(dāng)用于嬰兒的搖椅被安裝在水平軸的高度位置時(shí)，搖椅整體傾倒的危險(xiǎn)性降低，萬(wàn)一傾倒，危害程度也會(huì)降低。
這種擺動(dòng)體由于轉(zhuǎn)子和定子沒有直接的接觸，不論是停止或運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)人工推動(dòng)擺動(dòng)體擺動(dòng)時(shí)，不象其它驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)那樣會(huì)有被卡住的可能，這時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和整個(gè)擺動(dòng)體仍然擺動(dòng)自如。
另外，這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)幾乎可以自啟動(dòng)，因?yàn)閿[動(dòng)體輕微的擺動(dòng)都會(huì)在控制電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，使工作電路工作。


以下是為便于更好地理解本發(fā)明而提出的實(shí)施例，本發(fā)明所函蓋的內(nèi)容不能被理解為僅限于本實(shí)施例。
圖-1本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的搖擺體(嬰兒搖椅)的透視圖。
圖-2轉(zhuǎn)子為兩個(gè)極，區(qū)位控制單元采用干簧管開關(guān)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的正面剖視圖。
圖-3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的側(cè)面剖視圖。
圖-4由可調(diào)節(jié)的擋光機(jī)構(gòu)和光電開關(guān)組成的光電開關(guān)的透視圖。
圖-5由電流方向控制單元和區(qū)位控制單元串聯(lián)組成控制電路的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理圖。
圖-6/1~6在一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)原理圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1圖-1所示的是水平軸不連通式的嬰兒搖椅。在圖-1中，擺動(dòng)體的兩根懸臂(3)底端連接著搖椅(4)，頂端分別與位于一端的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(1)中的轉(zhuǎn)動(dòng)軸和位于另一端的從動(dòng)軸(7)相連接，支架(2)的4根支腿分別將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(1)和從動(dòng)軸承盒(5)內(nèi)的從動(dòng)軸承支撐在一定高度位置。啟動(dòng)按鈕(6)和區(qū)位調(diào)節(jié)旋紐(20)分別安裝在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(1)的固定板上。在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(1)的驅(qū)動(dòng)下，懸臂(3)帶動(dòng)搖椅(4)前后擺動(dòng)。
從圖-2和圖-3可以看出驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)關(guān)系。轉(zhuǎn)子的啞鈴型鐵芯(9)的內(nèi)層纏繞著工作線圈(12)，外層纏繞著感應(yīng)線圈(13)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(8)從鐵芯(9)中心穿過(guò)并被固結(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸(8)的兩側(cè)分別支撐于安裝在固定板(23)上的軸承(21)和安裝在殼體(24)上的軸承(21′)上，轉(zhuǎn)動(dòng)軸(8)的一端與懸臂(3)固定連接，轉(zhuǎn)動(dòng)軸(8)的變徑結(jié)構(gòu)和壓蓋(22)可有效地限制轉(zhuǎn)動(dòng)軸(8)的來(lái)回竄動(dòng)。定子主要由固定套(10)和固定在固定套(10)內(nèi)側(cè)的兩塊左右布置的圓弧形永久磁鐵(11)和(11′)組成，兩塊磁鐵內(nèi)側(cè)的磁極相互對(duì)應(yīng)，如磁鐵(11)的內(nèi)側(cè)為S極外側(cè)為N極的話，磁鐵(11′)的內(nèi)側(cè)則為N極外側(cè)為S極。在轉(zhuǎn)動(dòng)軸(8)上固定著連接件(14)，其底端固定著常開式干簧管(15)與其相對(duì)應(yīng)的是，在盤片(18)上固定著長(zhǎng)方體磁鐵(17)，盤片(18)的另一面連接著穿過(guò)固定板(23)和連接在固定套(10)上的懸桿(16)的轉(zhuǎn)桿(19)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)固定在轉(zhuǎn)桿(19)上的旋紐(20)可以帶動(dòng)長(zhǎng)方體永久磁鐵(17)作90度轉(zhuǎn)動(dòng)，這種組合方式構(gòu)成一個(gè)兩擋位區(qū)位調(diào)節(jié)干簧管開關(guān)。當(dāng)希望擺動(dòng)體較小幅度擺動(dòng)時(shí)，將長(zhǎng)方體永久磁鐵(17)調(diào)至垂直狀態(tài)，這時(shí)磁鐵的磁場(chǎng)對(duì)干簧管的作用范圍相對(duì)較??；當(dāng)希望擺動(dòng)體較大幅度擺動(dòng)時(shí)，將長(zhǎng)方體永久磁鐵(17)調(diào)至水平狀態(tài)(如圖-3中所示)，這時(shí)磁鐵的磁場(chǎng)對(duì)干簧管的作用范圍相對(duì)較大。自然靜止?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)子的中心線、連接件(14)和懸桿(16)的中心線以及擺動(dòng)體重心的中線均與中垂線重合。電源和其它電氣和控制元器件被固定安裝在固定板(20)的合適位置上(圖中未畫出)。
在圖-5所示的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理圖中，與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(8)一起轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵芯(9)上內(nèi)層纏繞著工作線圈(12)，外層纏繞著感應(yīng)線圈(13)，其兩側(cè)是兩塊固定的圓弧形永久磁鐵(11)和(11′)，永久磁鐵(11)的內(nèi)側(cè)為S極外側(cè)為N極；而永久磁鐵(11′)的內(nèi)側(cè)為N極外側(cè)為S極。自然靜止?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)子的鐵芯(9)的中心線與中垂線重合。β是擺動(dòng)體擺動(dòng)至擺幅位置時(shí)的轉(zhuǎn)子的擺角(也是擺動(dòng)體的擺角)，α是電磁力向擺動(dòng)體施力區(qū)位。電源(33)、電源開關(guān)(34)、區(qū)位控制單元(35)(本實(shí)施例為干簧管開關(guān))、電流方向控制單元(36)、雙向開關(guān)(37)、鐵芯(9)上的工作線圈(12)和感應(yīng)線圈(13)以及連接各元器件的導(dǎo)線等組成工作電路和控制電路。打開電源開關(guān)(34)，擺動(dòng)體處于工作狀態(tài)，想讓擺動(dòng)體停止擺動(dòng)時(shí)，切換雙向開關(guān)(37)，反推力矩使擺動(dòng)體很快停止擺動(dòng)。關(guān)閉電源開關(guān)(34)，過(guò)程結(jié)束。
以下結(jié)合圖-6/1~圖-6/6詳細(xì)說(shuō)明擺動(dòng)體在一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)(為簡(jiǎn)化起見，圖中省略了電源開關(guān)(34)和雙向開關(guān)(37))。
電源開關(guān)打開后，輕推一下擺動(dòng)體(如圖-6/1所示為順時(shí)針方向)，轉(zhuǎn)子隨擺動(dòng)體順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)線圈(13)以接近垂直的角度切割定子永久磁鐵(11)和(11′)的磁力線，從而在感應(yīng)線圈(13)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。此時(shí)轉(zhuǎn)子的擺角的絕對(duì)值|θ|＜1/2α，隨轉(zhuǎn)子擺動(dòng)的永久磁鐵(17)的磁場(chǎng)處于使相對(duì)靜止的干簧管觸點(diǎn)閉合的區(qū)位，區(qū)位控制單元(35)導(dǎo)通(干簧管開關(guān)導(dǎo)通)。與此同時(shí)，電流方向控制單元(36)導(dǎo)通，感應(yīng)線圈(13)產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)過(guò)電流方向控制單元(36)后，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)工作電流方向的工作電路導(dǎo)通，于是整個(gè)工作電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，工作電流在工作線圈(12)上產(chǎn)生的磁場(chǎng)使鐵芯(9)形成上N下S兩個(gè)磁極。這時(shí)，鐵芯(9)的上部和下部分別受到永久磁鐵(11′)上部的推力和下部的拉力，以及永久磁鐵(11)上部的拉力和下部的推力，共同作用的結(jié)果是在轉(zhuǎn)子的順時(shí)針方向上施加了一個(gè)順時(shí)針方向的力矩，促進(jìn)擺動(dòng)體沿順時(shí)針方向進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)。當(dāng)擺動(dòng)體和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)至|θ|＞1/2α?xí)r(如圖-6/2所示的位置)，永久磁鐵(17)轉(zhuǎn)動(dòng)到超出了能使干簧管觸點(diǎn)閉合的區(qū)位，常開式干簧管自動(dòng)斷開，整個(gè)工作電路斷電，鐵芯(9)處于無(wú)磁狀態(tài)。但此時(shí)在慣性作用下，擺動(dòng)體還會(huì)繼續(xù)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，只是速度越來(lái)越慢，動(dòng)能逐漸減小，勢(shì)能逐漸增加。當(dāng)擺動(dòng)體的位置到達(dá)這個(gè)擺動(dòng)周期的最高位置后，在重力的作用下，擺動(dòng)體開始沿逆時(shí)針方向向回?cái)[動(dòng)(如圖-6/3所示)，此時(shí)，雖然感應(yīng)線圈(13)內(nèi)有感應(yīng)電勢(shì)，但由于|θ|＞1/2α，干簧管開關(guān)不通，工作電路無(wú)電流。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)擺動(dòng)至圖-6/4所示的位置時(shí)，擺動(dòng)體進(jìn)入|θ|＜1/2α的區(qū)位，干簧管開關(guān)再次閉合，此時(shí)感應(yīng)線圈(13)產(chǎn)生一個(gè)與順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相反的感應(yīng)電勢(shì)和感應(yīng)電流，感應(yīng)電流經(jīng)過(guò)電流方向控制單元(36)后，導(dǎo)致工作電路產(chǎn)生一個(gè)與順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)方向相反的工作電流，這一工作電流使鐵芯(9)產(chǎn)生上S下N兩個(gè)磁極，定子和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果是向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)著的擺動(dòng)體施加了一個(gè)逆時(shí)針方向的力矩。在慣性力，重力和磁場(chǎng)力的共同作用下，擺動(dòng)體被加速直至擺動(dòng)到逆時(shí)針方向|θ|＝1/2α。之后，如圖-6/5所示，工作電路再次斷電，擺動(dòng)體在慣性力的作用下繼續(xù)沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直至到達(dá)這一擺動(dòng)周期的最高點(diǎn)。然后擺動(dòng)體靠重力和慣性力又返回開始沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)(如圖-6/6所示)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)至|θ|＜1/2α的區(qū)位時(shí)，工作電路又一次導(dǎo)通。以同樣的方式，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)體往復(fù)擺動(dòng)。在擺動(dòng)過(guò)程中，擺動(dòng)體既受到磁場(chǎng)力的正向作用，同時(shí)又受到空氣阻力和摩擦力等的反向作用，當(dāng)正向作用力矩大于反向作用力矩時(shí)，擺動(dòng)體的擺幅越來(lái)越大(啟動(dòng)階段屬于此種狀態(tài))。隨著擺幅的增大，反向力矩也越來(lái)越大，當(dāng)正向力矩與反向力矩達(dá)到平衡時(shí)，擺動(dòng)體的擺角為β，擺動(dòng)體達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
實(shí)施例2圖-4顯示的是一種可連續(xù)調(diào)節(jié)區(qū)位范圍的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)，采用這種光電開關(guān)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的其它機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理與實(shí)施例1所示的基本相似。所不同的是，將實(shí)施例1中區(qū)位控制單元的干簧管開關(guān)用圖-4所示的可連續(xù)調(diào)節(jié)區(qū)位范圍的光電開關(guān)替代。這種光電開關(guān)由兩部分構(gòu)成，即可隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的光電開關(guān)和相對(duì)固定的可調(diào)節(jié)擋光機(jī)構(gòu)。固定在連接件(14)上的對(duì)射式光電開關(guān)(25)為工業(yè)上常用的槽式光電開關(guān)，其內(nèi)部主要由分置的發(fā)光器和受光器組成，當(dāng)發(fā)光器和受光器之間無(wú)遮擋物時(shí)，受光器接收到發(fā)光器發(fā)出的光線，光電開關(guān)導(dǎo)通；相反，當(dāng)發(fā)光器和受光器之間有遮擋物時(shí)，發(fā)光器發(fā)出的光線被遮擋，受光器接收不到發(fā)光器發(fā)出的光線，光電開關(guān)斷開。本發(fā)明的可調(diào)節(jié)擋光機(jī)構(gòu)有一個(gè)主動(dòng)轉(zhuǎn)輥(27)和一個(gè)從動(dòng)轉(zhuǎn)輥(27′)，二者之間套裝著一個(gè)上下各開有一矩形孔(29)和(29′)的環(huán)形皮帶(28)，轉(zhuǎn)軸(32)穿過(guò)從動(dòng)轉(zhuǎn)輥(27′)的中心并與之相互固接，轉(zhuǎn)軸(31)的一端穿過(guò)主動(dòng)轉(zhuǎn)輥(27)的中心并與之相互固接，另一端穿過(guò)固定板(23)固定安裝著旋紐(20)，安裝在皮帶(28)下方的是中部開有一矩形孔(30)，被壓制成弧形的矩形擋光板(26)，其兩個(gè)長(zhǎng)邊上的折起部分有四個(gè)圓孔，轉(zhuǎn)軸(31)和(32)分別穿過(guò)這四個(gè)圓孔并可在孔中轉(zhuǎn)動(dòng)，擋光板(26)的一個(gè)折起的立邊固定在轉(zhuǎn)子的固定套(10)的底部。擋光板(26)上的矩形孔(30)的長(zhǎng)邊尺寸大于環(huán)形皮帶(28)上的矩形孔(29)和(29′)的長(zhǎng)邊，但小于兩個(gè)轉(zhuǎn)輥的外緣之間的距離，從而保證在擺動(dòng)體的最大擺幅內(nèi)擺動(dòng)著的光電開關(guān)(25)的發(fā)光器發(fā)出的光線只有透過(guò)三個(gè)矩形孔才能到達(dá)受光器，使光電開關(guān)導(dǎo)通；否則發(fā)光器發(fā)出的光線被皮帶(28)或擋光板(26)遮擋，致使光電開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)需要調(diào)節(jié)擺幅時(shí)，旋轉(zhuǎn)旋紐(20)，轉(zhuǎn)軸(31)和主動(dòng)轉(zhuǎn)輥(27)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，靠轉(zhuǎn)輥與皮帶之間的摩擦力，皮帶(28)滾動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)從動(dòng)轉(zhuǎn)輥(27′)轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶(28)滾動(dòng)時(shí)，其上下兩個(gè)矩形孔(29)和(29′)以相反的方向作水平運(yùn)動(dòng)，使透光的范圍發(fā)生變化，當(dāng)上下兩個(gè)矩形孔所處的位置重合時(shí)，透光范圍最大，相當(dāng)于電磁力作用的區(qū)位最大，此時(shí)擺動(dòng)體的擺幅也就最大；以此位置為中心，旋紐(20)不論順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)都會(huì)使透光范圍變小，相當(dāng)于電磁力作用的區(qū)位變小，擺動(dòng)體的擺幅也就變小；當(dāng)兩個(gè)矩形孔剛好相互錯(cuò)開，在整個(gè)擺幅內(nèi)發(fā)光器發(fā)出的光線均被遮擋時(shí)，光電開關(guān)在整個(gè)擺幅內(nèi)一直處于關(guān)閉狀態(tài)，這種情況下，擺動(dòng)體的擺幅越來(lái)越小直至停止擺動(dòng)。
權(quán)利要求
1.以電能為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)?jì)雰夯騼和膿u椅、搖床、秋千、木馬、玩具等類似的擺動(dòng)體的方法和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于以永久磁鐵作定子，以纏繞著工作線圈和感應(yīng)線圈的電磁鐵芯為轉(zhuǎn)子，通過(guò)從感應(yīng)線圈獲得的感應(yīng)電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的區(qū)位信號(hào)控制工作線圈的電流方向和作用區(qū)位，或通過(guò)從感應(yīng)線圈獲得的感應(yīng)電流控制工作線圈的電流方向，使轉(zhuǎn)子的磁極適時(shí)地變換，轉(zhuǎn)子和定子之間的磁場(chǎng)力相互作用，交替、脈沖地使轉(zhuǎn)子獲得與其轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同的力矩，并帶動(dòng)與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連的擺動(dòng)體自動(dòng)地?fù)u擺；擺動(dòng)體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成●擺動(dòng)部分包括由纏繞著工作線圈(12)和感應(yīng)線圈(13)的電磁鐵芯(9)和穿過(guò)電磁鐵芯(9)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(8)組成的轉(zhuǎn)子和與轉(zhuǎn)動(dòng)軸(8)相連的擺動(dòng)體等；●固定部分包括由磁極對(duì)應(yīng)的圓弧形永久磁鐵(11)和(11′)以及固定永久磁鐵的固定套(10)組成的定子，支撐轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸承(18)和(18′)，殼體等；●電氣和控制部分包括為轉(zhuǎn)子和擺動(dòng)體的擺動(dòng)提供動(dòng)力的工作電路和控制工作電路工作的控制電路等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于定子為永久磁鐵而轉(zhuǎn)子為纏繞著工作線圈和感應(yīng)線圈的電磁鐵芯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的方法和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于定子和轉(zhuǎn)子的相互作用的磁極數(shù)目相等，并為至少是2的偶數(shù)，且自由靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子和定子的磁極方位剛好相間布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于工作電源的電壓為3～36伏。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于；控制電路是通過(guò)在工作電路上串聯(lián)電流方向控制單元和區(qū)位控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于控制電路是通過(guò)在工作電路上設(shè)置電流方向控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的方法和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于通過(guò)調(diào)節(jié)區(qū)位控制單元導(dǎo)通區(qū)位的大小來(lái)調(diào)節(jié)擺動(dòng)體擺幅的大小。
8.根據(jù)權(quán)利要求1和5和6所述的方法和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于通過(guò)調(diào)節(jié)電源的電壓來(lái)調(diào)節(jié)擺動(dòng)體擺幅的大小。
9.根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的方法和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于通過(guò)調(diào)節(jié)區(qū)位控制單元導(dǎo)通區(qū)位的大小和調(diào)節(jié)電源的電壓兩種方式組合來(lái)調(diào)節(jié)擺動(dòng)體擺幅的大小。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于非必要地在工作電路上安裝一個(gè)雙向開關(guān)，當(dāng)需要停車時(shí)，將工作線圈的供電方向反向，以與工作狀態(tài)正好相反的電流向轉(zhuǎn)子的工作線圈供電，使轉(zhuǎn)子獲得一個(gè)反推力矩，使因慣性力擺動(dòng)著的擺動(dòng)體迅速停止擺動(dòng)。
全文摘要
一種電磁驅(qū)動(dòng)?jì)雰夯騼和膿u椅、搖床、秋千等類似的擺動(dòng)體自動(dòng)擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以永久磁鐵作定子，以纏繞著工作線圈和感應(yīng)線圈的電磁鐵芯為轉(zhuǎn)子，通過(guò)從感應(yīng)線圈獲得的感應(yīng)電流和轉(zhuǎn)子的區(qū)位信號(hào)控制工作線圈的電流方向和作用區(qū)位，使轉(zhuǎn)子的磁極適時(shí)地變換，交替、脈沖地獲得與其轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同的力矩，由此帶動(dòng)與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連的擺動(dòng)體自動(dòng)地?fù)u擺。
文檔編號(hào)H02P6/00GK1581652SQ03143939
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2003年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月2日
發(fā)明者張國(guó)瑞 申請(qǐng)人:張國(guó)瑞