基于滑轮组和永磁弹簧的变刚度关节设计与控制

基于永磁弹簧、滑轮组和类行星轮系结构提出了一种新型的绳索驱动变刚度机器人肘关节。阐述了关节中应用的原理和样机整体结构设计。利用模型间静力学关系和雅可比矩阵推导得到关节的刚度模型,并给出了关节刚度随磁弹簧刚度和关节位置变化规律。以变刚度关节的动力学模型为基础,设计了变刚度肘关节的刚度与位置解耦控制器。通过变刚度关节的刚度和位置解耦验证实验,验证了解耦控制器的准确性。通过轨迹跟踪实验,给出了关节刚度变化对关节位置控制的影响规律。本文提出的绳驱变刚度肘关节具有更轻的质量与结构,较好的刚度变化性能与运动精度。

一种高静-低动刚度磁弹簧的建模与特性分析

为解决低频隔振领域存在的低固有频率和高承载力之间的矛盾,设计了一种新型高静-低动刚度磁弹簧元件.首先,基于电磁场理论和分子电流法建立磁弹簧的弹簧力和刚度模型;其次,建立系统的动力学模型,同时分析线圈通入不同电流时对位移传递率的影响,并与等效线性弹簧进行比较;最后,研制实验样机并进行实验研究.仿真与实验结果表明:磁弹簧气隙-刚度曲线呈先平缓后急剧的非线性关系,具有明显的高静-低动刚度特性;其刚度与电流近似线性关系,磁弹簧可通过改变电流实现较大范围的刚度调整,且刚度响应迅速;在未通入电流时,相对于等效线性弹簧,起始隔振频率和传递率峰值降低26%,在通入负向额定电流时,起始隔振频率和传递率峰值降低了41%.

Halbach阵列磁弹簧减压阀特性研究

为改善传统减压阀中机械弹簧应力松弛和疲劳断裂等问题,提出一种基于Halbach阵列磁弹簧的直动式减压阀。利用Maxwell对Halbach阵列磁弹簧进行磁力仿真,设计出满足减压阀性能要求且铁磁耗材较低的Halbach阵列。利用AMESim软件仿真分析静态压力-流量特性与动态阶跃响应特性对Halbach阵列磁弹簧减压阀与机械弹簧直动式减压阀的影响规律。结果表明:相较于同规格机械弹簧直动式减压阀,Halbach阵列磁弹簧减压阀压力-流量曲线更平缓,即入口流量相同的情况下,磁弹簧减压阀压力损失更小,稳压精度更高;当进出口压差为2.5 MPa时,响应速度接近,当进出口压差提升至4.5 MPa时,Halbach阵列磁弹簧减压阀压力脉冲较小,即超调量较小,响应速度略有提高。

基于永磁弹簧-摆动导杆的变刚度机构力学特性研究

提出一种可用于变刚度关节驱动器的永磁弹簧-摆动导杆变刚度机构,采用轻质绳索牵引改变永磁弹簧气隙间距及初始刚度,同时利用摆动导杆机构运动改变内外圈相对转动所需扭矩大小。分析了变刚度机构的刚度调节机理,阐述了变刚度机械结构。通过永磁弹簧气隙间距-磁力实验结果获得永磁弹簧刚度模型,并根据变刚度机械结构建立的静力学模型分析了机构的力学特性。通过Matlab数值仿真,结果表明永磁弹簧初始刚度对弹簧压缩量及导杆转角的影响规律。根据永磁弹簧与定刚度线性弹簧的绳索拉力变化,对比结果表明采用变刚度永磁弹簧可以进一步增加绳索的拉力变化范围,即可以有效增大机构的刚度变化范围。

三自由度等刚度永磁弹簧的力学特性研究

设计出一种三自由度等刚度永磁弹簧,并根据单组永磁体结构,采用虚位移法建立其径向磁力解析模型,利用有限元方法对径向磁力进行了仿真计算。仿真结果和模型计算结果基本吻合。解析计算与仿真结果表明,该永磁弹簧的径向磁力随着径向位移的增加而增大,随着轴向位移的增大而减小。在永磁弹簧平动平面内,两个移动方向的刚度系数和垂直于平面中心的回转刚度系数均相等。在径向位移较小时,径向位移与弹簧刚度系数近似成线性关系。

稀土永磁弹簧的力学特性研究

采用有限元法对稀土永磁弹簧的磁场分布进行了数值模拟分析 ,并就弹簧永磁体的结构参数对弹簧特性的影响作了详细研究。研究结果表明 :在磁力弹簧的主要工作区段 ,位移和压力近似呈线性关系。弹簧的力学性能不仅与永磁体的形状有关 ,而且与永磁体的具体尺寸有关。对于相同结构和尺寸的磁力弹簧 ,如果两环的磁极相对 ,则其力学性能较差 ;两环磁极同向的弹簧 ,力学性能较好 ,位移范围较大。因此 。

永磁弹簧的设计与计算分析

提出了几种永磁弹簧的设计方案,并给出了相应的计算方法。分别采用解析法、有限元仿真法计算分析了两个永磁体间的磁场力与其距离的关系特性,并由此组合构成不同形式的永磁弹簧,使其合力近似于一般机械弹簧的力学特性。实验结果与理论计算结果接近,表明笔者提出的方法适于永磁弹簧的设计与计算。

基于负刚度磁弹簧的超低频振动速度传感器的设计与性能分析

低频振动速度信号的测量在振动控制、地质勘探、土木工程等领域有着广泛的应用,而实现振动速度传感器的低频扩展对实现低频超低频振动速度信号的测量至关重要。为了实现振动速度传感器测量下限频率的扩展,提出了一种基于负刚度磁弹簧的超低频速度传感器。利用等效磁荷法建立负刚度磁弹簧的磁力与刚度模型;分析了负刚度磁弹簧的几何参数对其负刚度特性的影响规律,通过调节磁负刚度弹簧的几何参数以实现传感器低频扩展对负刚度特性线性度和幅值的要求;并进一步分析了振动速度传感器频响特性。结果表明文中提出速度传感器以及结构参数设计方法能有效地实现速度传感器的低频扩展,并实现低频振动速度信号的测量。

3自由度等刚度永磁弹簧的尺寸参数特性研究

对一种3自由度等刚度永磁弹簧的尺寸参数特性进行仿真与实验研究。该永磁弹簧由3组环形永磁体和柱形永磁体均匀对称布置构成。根据永磁弹簧的结构,利用ANSOFT软件对永磁弹簧尺寸参数进行有限元分析,对径向磁力进行仿真计算,并利用实验验证,仿真结果与实验测量结果基本吻合。由分析结果得出随着环形永磁体平均半径的增加,弹簧径向磁力减小。随着柱形永磁体的半径和轴向长度、环形永磁体的轴向长度的增加,弹簧径向磁力增加。随着环形永磁体和柱形永磁体间的竖直方向气隙长度的增加,弹簧径向磁力呈抛物线趋势变化。为3自由度等刚度永磁弹簧的设计提供了依据。

尺寸参数对3自由度等刚度永磁弹簧力学性能影响研究

提出一种3自由度等刚度永磁弹簧。该永磁弹簧由3组环形永磁体和柱形永磁体均匀对称布置构成。根据永磁弹簧的结构,改变永磁弹簧参数进行有限元分析,对径向磁力进行仿真计算。仿真结果表明,随着永磁弹簧的永磁体牌号、柱形永磁体的半径和长度、环形永磁体的长度的增加,弹簧径向磁力增加。随着环形永磁体的平均半径的增加,弹簧径向磁力减小。随着环形永磁体和柱形永磁体间的竖直方向气隙长度的增加,弹簧径向磁力呈抛物线趋势变化。实验验证结果和仿真计算结果基本吻合。

稀土磁弹簧吸振器特性的研究

首先简要介绍稀土金属制成的磁弹簧吸振器的构造和工作机理，然后着重介绍三种规格磁弹簧吸振器特性的测试、计算和分析，并对磁弹簧刚度的可调节性及其刚度与磁弹簧的有关参数间的关系进行了分析，最后得出了一些有实际应用价值的结论。

永磁弹簧先导式溢流阀导阀设计与性能分析

针对机械弹簧疲劳、断裂、塑性变形等导致溢流阀工作性能降低的问题,提出一种基于斥力的永磁弹簧先导式溢流阀导阀结构。利用CFD对先导阀进行流场仿真分析,利用AMESim对传统机械弹簧先导式溢流阀和永磁弹簧先导式溢流阀进行特性仿真,得到不同系统压力时的阶跃压力响应曲线和稳态压力-流量特性曲线。对机械弹簧先导式溢流阀和永磁弹簧先导式溢流阀进行稳态压力-流量特性试验。分析结果表明:永磁弹簧先导阀结构设计合理;相较于机械弹簧先导式溢流阀,其动态性能更好,定压精度更好。

永磁弹簧单向阀的设计与特性研究

针对目前单向阀中因机械螺旋弹簧存在疲劳、断裂等导致其性能降低,压力和流量损失增大等问题,利用磁性材料"同性相斥、异性相吸"的原理,提出斥力、引力两种永磁弹簧单向阀结构。利用ANSYS的Fluent模块对其进行流场仿真分析。在实验室条件下进行相同开启压力流量和压差-流量特性试验。结果表明:新型永磁弹簧单向阀结构合理,斥力永磁弹簧单向阀开启压力最小,反应最灵敏;引力永磁弹簧单向阀压力损失最小。两种永磁弹簧单向阀性能比机械弹簧单向阀优越。

永磁弹簧式溢流阀的设计理论研究

针对目前溢流阀中螺旋式调压弹簧在使用过程中易失效的问题,提出了一种基于永磁弹簧的直动式溢流阀设计方案。利用磁荷积分法和有限元法对永磁弹簧力学特性进行了分析建模,针对航空伺服系统的指标要求,设计了永磁弹簧式溢流阀整体结构和关键参数。

永磁弹簧与永磁弹簧机构研究进展综述

介绍了磁学理论、永磁弹簧机构的原理和基本构成。阐述了永磁弹簧机构的研究现状,包括磁性材料、外部环境、结构参数对永磁弹簧机构性能的影响等;介绍了永磁弹簧机构在电流作用下产生直线往复运动时的应用情况,包括电磁阀、电磁泵、电磁往复直线执行器、永磁式离合器等;分析了永磁弹簧机构在支撑和减振领域的应用。

基于永磁弹簧的变刚度关节驱动器设计

提出一种基于永磁弹簧的变刚度机器人关节驱动器,采用蜗轮、蜗杆驱动绳索调整永磁弹簧气隙间距,实现驱动器变刚度控制;分析基于绳索-永磁弹簧组的关节驱动器变刚度原理并进行结构设计,对变刚度收线蜗轮、蜗杆结构参数进行设计计算。

复合磁-电弹簧直动式溢流阀设计与性能分析

为了解决传统机械弹簧因塑性变形、断裂等造成溢流阀工作性能劣化的问题,设计一种复合磁-电弹簧结构应用于直动式溢流阀调压弹簧中,以提高直动式溢流阀的响应速度,实现电控弹簧力。理论分析复合磁-电弹簧磁力特性,利用Maxwell软件对复合磁-电弹簧进行磁力特性仿真;采用AMESim软件对机械弹簧直动式溢流阀和复合磁-电弹簧直动式溢流阀进行动态特性仿真。对复合磁-电弹簧磁力特性及溢流阀的动态特性进行实验测试。结果表明:复合磁-电弹簧设计合理,复合磁-电弹簧直动式溢流阀动态响应特性优于现有机械弹簧直动式溢流阀。

无弹簧永磁直线振荡电机定位力特性分析

无弹簧永磁直线振荡电机可利用自身定位力等效弹簧回复力,能够克服机械弹簧引起的质量大、体积大、成本高等缺点,是线性压缩机系统的有效解决方案。为研究无弹簧永磁直线振荡电机在电枢反应下的定位力特性,首先介绍了电机结构及运行原理;然后,通过考虑铁心饱和的等效磁路法、基于有限元仿真的冻结磁导率法和公式推导法分析了无弹簧直线振荡电机在不同工况下的定位力特性,并对结果进行了对比。研究结果表明:负载过大将使电机定位力线性度降低、动子平衡位置偏移、功率密度下降、撞缸风险增加,因此在设计此类电机时有必要考虑相关因素。

永磁悬浮支撑的刚性圆柱振子流致振动幅频特性分析

将永磁悬浮支撑与流致振动潮流能转换装置相结合,探索永磁悬浮支撑结构作为弹簧在流致振动潮流能发电领域的应用可行性。为了对比永磁弹簧与金属弹簧所提供恢复力对刚性圆柱振子流致振动的影响,通过ANSYS Maxwell软件计算得到永磁弹簧的磁力,拟合出永磁弹簧的弹性恢复力曲线方程,将弹性恢复力曲线方程代入Star-CCM+计算出刚性圆柱振子在不同流速下的幅频特性,然后将计算结果与金属弹簧系统进行比较。结果显示永磁弹簧支撑振子流致振动幅频特性与金属弹簧的相似,在上端分支能达到最大振幅比,频率随着流速增加总体呈增加趋势。但在计算流速区间内,永磁弹簧支撑振子的振幅比与频率都比金属弹簧支撑振子大,振动性能更优。