本发明涉及一种磁流变制动器，尤其涉及一种采用环形永磁体和励磁线圈激励的新型盘式磁流变制动器。
背景技术：
传统的液压制动器中填充的工作介质是普通液压油，具有结构简单且无须外部能量输入等优点；但由于液压油粘度小，导致输出阻尼力较小，不能适应各种变化的工况。
磁流变液的问世为解决上述难题带来了新的思路，磁流变液在磁场作用下具有瞬时可逆的流变特性，可通过控制磁场强度来改变磁流变液的剪切屈服强度，实现磁流变制动器转矩的无级调节。磁流变制动器根据运动方式可以分为直线式磁流变制动器和旋转式磁流变制动器。相对于旋转式磁流变制动器，直线式磁流变制动器虽然应用较广，但有着一些较明显的缺点，如需要较大的安装空间；不能容纳大的工作行程，因为制动器杆会有变形弯曲的危险；杆表面的暴露，使杆受到外部物体伤害的几率变大，同时会受到制动器缸体内密封元件的摩擦。
传统旋转式磁流变制动器仅采用励磁线圈产生磁场，当制动器停止运行一段时间后，制动器内的磁流变液磁性颗粒会产生沉降或聚集而形成硬块和糕状物；当制动器再次运行时，该硬块和糕状物会阻塞阻尼通道从而使制动器失去减振能力。另外，如果系统电源发生故障而使磁流变制动器的励磁电流为零时，制动器输出转矩小且无法调节，其防故障安全性能较低。同时，传统旋转式磁流变制动器在外缸筒安置励磁线圈的方式使得制动器径向尺寸过大，不利于在工作空间狭小的场合使用。
技术实现要素：
为了克服背景技术中存在的问题，本发明提供一种采用环形永磁体和励磁线圈激励的新型盘式磁流变制动器。将励磁线圈与环形永磁体配合使用，在环形支架凹槽内增设一个环形永磁体，对阻尼间隙处的磁流变液提供固定磁场；本发明中的旋转式磁流变制动器产生的转矩可以有效降低转轴的转速，实现减速或减小振动等效果。直流伺服电机带动转轴产生大小不同的转速，当转轴转动时，带动转盘旋转；环形永磁体与励磁线圈共同作用产生磁场，当环形永磁体产生磁场方向与通电时励磁线圈产生磁场方向相同时，磁流变液在径向圆盘阻尼间隙内产生磁流变效应，从而产生较大转矩，阻碍旋转轴转动，实现可靠制动控制；当环形永磁体产生磁场方向与通电时励磁线圈产生磁场方向相反时，通过控制励磁线圈通电电流大小，可实现转轴的自由转动；当励磁线圈未通电时，仍有环形永磁体产生磁场，从而提高了制动器的自动防故障性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：左端盖(1)、左导磁盘(2)、左转盘(3)、内套筒(4)、缸筒(5)、右转盘(6)、右导磁盘(7)、右轴承(8)、右端盖(9)、环形支架(10)、环形永磁体(11)、励磁线圈(12)、环形支架端盖(13)、左轴承(14)以及转轴(15)；左端盖(1)中间加工有圆形通孔,右端面加工有圆环形凹槽；左端盖(1)圆形通孔内表面与转轴(15)间隙配合；左端盖(1)与缸筒(5)通过螺钉紧固连接；左导磁盘(2)圆周外表面与缸筒(5)圆周内表面过盈配合；左导磁盘(2)中间加工有阶梯形圆形通孔，左导磁盘(2)圆形通孔内表面左端与左轴承(14)外圈过盈配合；左导磁盘(2)圆形通孔内表面右端与左转盘(3)法兰外表面间隙配合，并通过密封圈密封；左导磁盘(2)左端面通过左端盖(1)右端面轴向定位，其右端面通过缸筒(5)轴肩左端面轴向定位；左转盘(3)中间加工有圆形通孔，其圆形通孔内表面与转轴(15)过盈配合，并通过平键进行周向定位；左转盘(3)左端通过左轴承(14)右端面轴向定位，其右端通过右转盘(6)左端面轴向定位；内套筒(4)圆周外表面与缸筒(5)圆周内表面过盈配合；内套筒(4)左端通过环形支架端盖(13)右端面轴向定位；内套筒(4)右端通过环形支架(10)凸盘左端面轴向定位；右转盘(6)中间加工有圆形通孔，其圆形通孔内表面与转轴(15)过盈配合，并通过平键周向定位；右转盘(6)左端通过左转盘(3)右端面轴向定位；右转盘(6)右端通过右轴承(8)左端面轴向定位；右导磁盘(7)圆周外表面与缸筒(5)圆周内表面过盈配合，右导磁盘(7)中间加工有阶梯形圆形通孔，右导磁盘(7)圆形通孔内表面右端与右轴承(8)外圈过盈配合；右导磁盘(7)圆形通孔内表面左端与右转盘(6)右法兰外表面间隙配合，并通过密封圈密封；右导磁盘(7)左端通过缸筒(5)轴肩右端面轴向定位；右导磁盘(7)右端通过右端盖(9)左端面轴向定位；环形永磁体(11)通孔内表面与环形支架(10)外表面过盈配合；环形永磁体(11)左端通过环形支架端盖(13)右端面轴向定位，其右端通过环形支架(10)凸盘左端面轴向定位；环形支架(10)凸盘外表面与缸筒(5)圆周内表面过盈配合；环形支架(10)凸盘右端面加工有腰形凸台；环形支架(10)左端通过环形支架端盖(13)右端面轴向定位，其右端通过右转盘(6)左端面轴向定位；环形支架端盖(13)外表面与缸筒(5)圆周内表面过盈配合；环形支架端盖(13)左端面加工有腰形凸台；环形支架端盖(13)左端通过左转盘(3)右端面轴向定位；其右端通过内套筒(4)、环形支架(10)及环形永磁体(11)左端面轴向定位；右轴承(8)左端通过右转盘(6)右端及右导磁盘(7)右轴肩进行轴向定位，其右端通过右端盖(9)左端面进行轴向定位；右轴承(8)内圈与转轴(15)过盈配合；左轴承(14)左端通过左端盖(1)右端面进行轴向定位，其右端通过左转盘(3)左端及左导磁盘(2)左轴肩进行轴向定位；左轴承(14)内圈与转轴(15)过盈配合；环形支架(10)、环形永磁体(11)以及环形支架端盖(13)围成圆环形凹槽，励磁线圈(12)缠绕在圆环形凹槽内，其引线从内套筒(4)与缸筒(5)圆形通孔中引出；左导磁盘(2)与左转盘(3)之间的间隙形成径向圆盘阻尼间隙ⅰ(16)；左转盘(3)和环形支架端盖(13)之间的间隙形成径向圆盘阻尼间隙ⅱ(18)；右转盘(6)与环形支架(10)之间的间隙形成径向圆盘阻尼间隙ⅲ(20)；右转盘(6)与右导磁盘(7)之间的间隙形成径向圆盘阻尼间隙ⅳ(22)；左转盘(3)和缸筒(5)之间的间隙形成轴向圆环阻尼间隙ⅰ(17)；右转盘(6)法兰部分与环形支架(10)通孔内表面之间的间隙形成轴向圆环阻尼间隙ⅱ(19)；右转盘(6)和缸筒(5)之间的间隙形成轴向圆环阻尼间隙ⅲ(21)；径向圆盘阻尼间隙ⅰ(16)、轴向圆环阻尼间隙ⅰ(17)、径向圆盘阻尼间隙ⅱ(18)、轴向圆环阻尼间隙ⅱ(19)、径向圆盘阻尼间隙ⅲ(20)、轴向圆环阻尼间隙ⅲ(21)及径向圆盘阻尼间隙ⅳ(22)串联共同组成盘式制动器的液流通道；液流通道内填充有磁流变液；环形永磁体(11)与励磁线圈(12)共同作用产生磁场，当环形永磁体(11)产生磁场方向与通电时励磁线圈(12)产生磁场方向相同时，在共同磁场作用下，磁流变液在四段径向圆盘阻尼间隙内产生磁流变效应，产生较大转矩，阻碍转轴(15)转动，从而实现制动控制；当环形永磁体(11)产生磁场方向与通电时励磁线圈(12)产生磁场方向相反时，通过控制励磁线圈(12)通电电流大小，可实现转轴(15)的自由转动；当励磁线圈(12)未通电时，仍有环形永磁体(11)产生磁场，从而提高了制动器的自动防故障性能。左导磁盘(2)、左转盘(3)、内套筒(4)、右转盘(6)、右导磁盘(7)、环形支架(10)以及环形支架端盖(13)由低碳钢导磁材料制成；左端盖(1)、缸筒(5)、右轴承(8)、右端盖(9)、左轴承(14)以及转轴(15)由不锈钢不导磁材料制成。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
(1)本发明环形永磁体与励磁线圈共同作用产生磁场，当环形永磁体产生磁场方向与通电时励磁线圈产生磁场方向相同时，径向圆盘阻尼间隙内的磁流变液发生磁流变效应，产生较大转矩，阻碍转轴转动，从而实现制动控制；当环形永磁体产生磁场方向与通电时励磁线圈产生磁场方向相反时，通过控制励磁线圈通电电流大小，可实现转轴的自由转动；当励磁线圈未通电时，仍有环形永磁体产生磁场；本发明将环形永磁体与励磁线圈配合使用，可实现三种有效工作模式，进一步提高了制动器的转矩-体积比率，增加了阻尼转矩的调节范围，拓宽了制动器的使用范围。
(2)本发明将励磁线圈与环形永磁体轴向放置在两个转盘中间，有效减少了制动器的径向尺寸。
(3)本发明采用环形永磁体可使工作腔内的磁流变液始终处在磁场作用下，解决了常规磁流变制动器失电时容易产生磁流变液静置沉降，从而堵塞阻尼通道的问题。另外，使用环形永磁体避免了当系统故障导致励磁线圈电流为零时，阻尼转矩小且无法调节的问题，增加了系统的稳定性和安全性。
(4)与直线式磁流变制动器相比，本发明体积小，重量轻，成本低，节省了安装空间。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明励磁线圈与环形永磁体产生磁场方向相同时的磁力线分布示意图。
图3是本发明励磁线圈与环形永磁体产生磁场方向相反时的磁力线分布示意图。
图4是本发明环形永磁体产生磁场时的磁力线分布示意图。
图5是本发明液流通道阻尼间隙结构示意图。
图6是本发明环形支架端盖结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明结构示意图，包括左端盖(1)、左导磁盘(2)、左转盘(3)、内套筒(4)、缸筒(5)、右转盘(6)、右导磁盘(7)、右轴承(8)、右端盖(9)、环形支架(10)、环形永磁体(11)、励磁线圈(12)、环形支架端盖(13)、左轴承(14)以及转轴(15)。
图2是本发明励磁线圈与环形永磁体产生磁场方向相同时的磁力线分布示意图，励磁线圈(12)产生的磁力线依次穿过左导磁盘(2)、左转盘(3)、环形支架端盖(13)、内套筒(4)、环形支架(10)、右转盘(6)、右导磁盘(7)，接着经过右转盘(6)、环形支架(10)、环形支架端盖(13)和左转盘(3)，最后在左导磁盘(2)处形成闭合回路。环形永磁体(11)产生的磁力线从n极出发，依次穿过环形支架端盖(13)、左转盘(3)、左导磁盘(2)，接着经过左转盘(3)、环形支架端盖(13)、内套筒(4)、环形支架(10)、右转盘(6)、右导磁盘(7)，然后返回右转盘(6)和环形支架(10)，最后回到环形支架端盖(13)形成闭合回路。励磁线圈(12)与环形永磁体(11)磁场产生方向相同时，进一步增强了径向圆盘阻尼间隙中的磁场强度，提高了制动器制动性能。
图3是本发明励磁线圈与环形永磁体产生磁场方向相反时的磁力线分布示意图，励磁线圈(12)产生的磁力线依次穿过左导磁盘(2)、左转盘(3)、环形支架端盖(13)、环形支架(10)、右转盘(6)、右导磁盘(7)，接着经过右转盘(6)、环形支架(10)、环形支架端盖(13)和左转盘(3)，最后在左导磁盘(2)形成闭合回路。环形永磁体(11)产生的磁力线从n极出发，依次穿过环形支架端盖(13)、左转盘(3)、左导磁盘(2)，接着经过左转盘(3)、环形支架端盖(13)、内套筒(4)、环形支架(10)、右转盘(6)、右导磁盘(7)，然后返回右转盘(6)和环形支架(10)，最后回到环形支架端盖(13)形成闭合回路。励磁线圈(12)与环形永磁体(11)产生磁场方向相反时，两者产生的磁力线方向相反，通过控制励磁线圈(12)通电电流的大小，励磁线圈(12)与环形永磁体(11)产生的磁场可以相互抵消，最终实现转轴(15)的自由转动。
图4是本发明环形永磁体产生磁场时的磁力线分布示意图，环形永磁体(11)产生的磁力线从n极出发，依次穿过环形支架端盖(13)、左转盘(3)、左导磁盘(2)，接着经过左转盘(3)、环形支架端盖(13)、内套筒(4)、环形支架(10)、右转盘(6)、右导磁盘(7)，然后返回右转盘(6)和环形支架(10)，最后回到环形支架端盖(13)形成闭合回路。当励磁线圈(12)不导电，仅环形永磁体(11)产生磁场时，可在制动器不通电时，仍能产生一定大小的制动力矩，提高了制动器的自动防故障性能。
图5是本发明液流通道阻尼间隙结构示意图。左导磁盘(2)与左转盘(3)之间的间隙形成径向圆盘阻尼间隙ⅰ(16)；左转盘(3)和环形支架端盖(13)之间的间隙形成径向圆盘阻尼间隙ⅱ(18)；右转盘(6)与环形支架(10)之间的间隙形成径向圆盘阻尼间隙ⅲ(20)；右转盘(6)与右导磁盘(7)之间的间隙形成径向圆盘阻尼间隙ⅳ(22)；左转盘(3)和缸筒(5)之间的间隙形成轴向圆环阻尼间隙ⅰ(17)；右转盘(6)法兰部分与环形支架(10)通孔内表面之间的间隙形成轴向圆环阻尼间隙ⅱ(19)；右转盘(6)和缸筒(5)之间的间隙形成轴向圆环阻尼间隙ⅲ(21)；径向圆盘阻尼间隙ⅰ(16)、轴向圆环阻尼间隙ⅰ(17)、径向圆盘阻尼间隙ⅱ(18)、轴向圆环阻尼间隙ⅱ(19)、径向圆盘阻尼间隙ⅲ(20)、轴向圆环阻尼间隙ⅲ(21)及径向圆盘阻尼间隙ⅳ(22)串联共同组成盘式制动器的液流通道；液流通道内填充有磁流变液。
图6是本发明环形支架端盖结构示意图，环形支架端盖(13)中间加工有圆形通孔，其左端加工有三个轴向均匀分布的腰形凸台，凸台厚度为径向圆盘阻尼间隙ⅱ(18)的宽度。
本发明工作原理如下：
直流伺服电机带动转轴(15)产生大小不同的转速，同时转轴(15)带动左转盘(3)与右转盘(6)旋转。励磁线圈(12)通电产生磁场，当环形永磁体(11)产生磁场方向与通电时励磁线圈(12)产生磁场方向相同时，调节励磁线圈(12)电流强度大小，磁场强度逐渐增大；在磁场作用下，磁流变液在四段径向圆盘阻尼间隙内产生磁流变效应，磁流变液表观黏度变大，产生较大转矩，从而实现制动控制；当环形永磁体(11)产生磁场方向与通电时励磁线圈(12)产生磁场方向相反时，通过控制励磁线圈(12)通电电流大小，抵消环形永磁体(11)固有磁场影响，可以实现转轴(15)的自由转动；当励磁线圈(12)未通电时，仍有环形永磁体(11)产生磁场，可进一步提高制动器的防故障性能。