CN101976932B - 基于电磁箝位机构的尺蠖运动直线电机 - Google Patents

Abstract

一种电磁电机技术领域的基于电磁箝位机构的尺蠖运动直线电机，包括两个以上成对设置且相互对称连接的电磁箝位机构，该机构包括：磁场产生装置、滚动体、输出轴和壳体，磁场产生装置固定设置于壳体的外部，壳体和滚动体依次套接于输出轴的外部。本发明通过电磁灵敏控制机械刚性锁紧和释放状态，而可以制成电控超大箝位力装置。利用这种箝位装置可以制成超大负载、精密移动的驱动装置或直线电机。

Description

基于电磁箝位机构的尺蠖运动直线电机

技术领域

本发明涉及的是一种电磁电机技术领域的装置，具体是一种基于电磁箝位机构的尺蠖运动直线电机。

背景技术

近些年来，电、磁致伸缩驱动技术发展迅速，产生了如巨磁致伸缩材料、电陶瓷以及磁致伸缩形状记忆合金等智能材料。这些智能材料具有能量密度大，输出功率高，伸缩形变精确等优点，因此基于这些智能材料可以研发高性能驱动器和直线电机。但是基于智能材料研制的直线电机，特别是对于尺蠖运动类直线电机，由于没有性能匹配的箝位机构，而使的智能材料的大输出应力性能不能够得到充分发挥，致使这类电机不能用于超大负载驱动、传动领域。

经对现有技术的文献检索发现，Jaehwan Kim等在《Mechatronics》(机械电子学期刊，2002年第12期第几525-542页)上发表的论文A hybrid inchworm linear motor(混合式尺蠖运动直线电机)，该直线电机的设计基于尺蠖运动机理，由一个磁致伸缩机构和两个压电伸缩机构组成；磁致伸缩机构用来产生尺蠖运动直线位移，两个压电伸缩机构作为尺蠖箝位机构产生箝位动作。这种电机采用的压电箝位机构，由于其使用的是脆性压电材料，其抗挤压能力有限，过大的箝位及压力会将压电材料压碎，致使箝位功能丧失，其作直线驱动的磁致伸缩机构可产生超大输出应力的性能因此无法实现。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于电磁箝位机构的尺蠖运动直线电机，通过电磁灵敏控制机械刚性锁紧和释放状态，而可以制成电控超大箝位力装置。利用这种箝位装置可以制成超大负载、精密移动的驱动装置或直线电机。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种电磁箝位机构，包括：磁场产生装置、滚动体、输出轴和壳体，其中：磁场产生装置固定设置于壳体的外部，壳体和滚动体依次套接于输出轴的外部。

所述的壳体的剖面为等腰梯形、镜像对称的六边形结构或纺锤形；

所述的滚动体为铁磁材料或铁磁-非铁磁复合材料制成；

所述的滚动体具体为一个以上的滚珠或滚轴。

所述的输出轴为单根或多根由中间伸缩膨胀体串联连接的刚性的杆件、板件、线缆或钢缆。

所述的磁场产生装置为以下结构中的任意一种：

a)分别设置于壳体两侧的两组电磁线圈；

b)分别设置于壳体两侧的两组永磁体；

c)分别设置于壳体两侧的电磁线圈以及永磁体；

本发明涉及一种尺蠖运动直线电机，包括两个以上成对设置且由中间伸缩膨胀体相互对称连接的电磁箝位机构，该尺蠖运动直线电机通过交替控制一对电磁箝位机构中一侧卡紧另一侧释放的方式实现长距离移动或往复运动。

本发明通过以下方式进行工作：

初始状态下输出轴贯通壳体，壳体内部输出轴上下两侧各设有一个以上滚动体，滚动体在壳体中自由放置。在壳体两个外端面各设有一个电磁线圈，输出轴也贯穿这两个电磁线圈，壳体固定不动。

对壳体左端电磁线圈通电时，处于自由状态的滚动体由于磁吸力，吸附在靠近壳体做内壁一侧。由于壳体左端内壁处腔体在垂直输出轴移动方向上的腔体尺寸略小于在同方向上输出轴和输出轴上、下测滚动体的尺寸之和，所以当滚动体被吸附时，滚动体会被卡在输出轴和壳体(上、下侧)内壁之间，而不能最终接触到壳体的左侧壁。此时，当拖动输出轴向左移动，由于摩擦力作用，输出轴会带动滚动体，使得滚动体更加紧地卡在输出轴和壳体(上、下侧)内壁之间，致使输出轴被箝位锁紧，并且锁紧力随向左拖动力增大而增大，拖动力越大卡得越紧。此时，输出轴处于向左移动卡紧的单向箝位卡紧状态。

当给壳体左端电磁线圈断电，同时给壳体右端电磁线圈通电，滚动体被吸附在壳体内测右端面处。由于壳体右端内壁处腔体在垂直输出轴移动方向上的腔体尺寸略大于在同方向上的输出轴和输出轴上、下测滚动体的尺寸之和，所以当滚动体被吸附时，滚动体不会被卡在输出轴和壳体(上、下侧)内壁之间，而可以最终接触到壳体的右侧壁。此时，输出轴可以被左、右拖动，输出轴处于箝位释放状态。

组成部件完全相同，当壳体变为对称梯形时，电磁线圈通断作用机理同前，当需要限制移动体向左移动，则吸引滚动体靠近壳体左内测壁，当需要限制移动体向右移动，则吸引滚动体靠近壳体右内测壁，这样输出轴可以被双向箝位卡紧。此种情况下，输出轴可实现双向卡紧状态。

当组成部件完全相同，电磁线圈通断作用机理同前，当需要移动体向左移动，则吸引滚动体靠近壳体右内测壁，当需要移动体向右移动，则吸引滚动体靠近壳体左内测壁，这样输出轴可以双向移动。此种情况下，输出轴可实现双向释放状态。

对于以上箝位机构，其组成部件中可以将壳体两端的电磁线圈中的任何一个线圈换成永磁体。箝位卡紧和释放状态的实现与前述作用机理完全相同。只是吸引滚动体滚动的电磁力是电磁线圈产生的磁场力和永磁场力的矢量合力作用的结果。当需要将滚动体靠近电磁线圈一侧的壳体内壁时，则对电磁线圈通入较强的电流产生较强的与永磁吸力相反的磁吸力，吸动滚动体靠近电磁线圈一侧侧壁。当需要将滚动体靠近永磁体一侧的壳体内壁时，则对电磁线圈通入较小的电流或通入与永磁体磁场同向的电磁场电流或断电，则永磁吸力或电、永磁复合吸力，吸动滚动体靠近永磁体一侧侧壁。这样，通过一个电磁线圈可以控制滚动体在壳体中的位置，从而也可以实现对输出轴的箝位卡紧和箝位释放。并且，基于这种永磁吸力，可以实现断电情况下的单向箝位、限位装置。永磁体置于壳体左测，那么在断电时，输出轴向左移动被箝位限制。永磁体置于壳体右测，那么在断电时，输出轴可处于始终释放状态。

当壳体两侧都使用永磁体，并且其内部具有对称分布的滚动体，那么输出轴将会卡紧而始终不动，这样可以实现一种永磁吸力永久箝位和固位装置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1.机构简单，组成部件少，可以实现巨大的箝位卡紧力；2.电磁信号控制，箝位和电机运动控制灵敏、方便；3.是一种基础箝位部件，可以广泛用于多种需要箝位卡紧机构领域。4.驱动箝位过程能耗低，具有无能耗卡紧性能。

本发明的机构可用于研制要求产生大位移、高精度驱动功能的仪器和设备，以及对现有电、磁致伸缩驱动材料应用设备、仪器的改进，可广泛应用于驱动器(致动器)、制动器、传感器、电机、振动及控制设备、机器人、精密制造、生物医学工程等领域。

附图说明

图1为基于尺蠖运动直线电机单向电磁箝位卡紧机构的结构示意图；

图2为基于尺蠖运动直线电机双向电磁箝位卡紧机构的结构示意图；

图3为电磁-永磁激励的基于尺蠖运动直线电机的电磁箝位卡紧机构的结构示意图；

图4为双永磁箝位-限位机构示意图；

图5为一个以上滚动体作用的基于尺蠖运动直线电机的电磁箝卡紧位机构的在工作前和工作中的状态和结构示意图；

图6为两个或两个以上的基于尺蠖运动直线电机电磁箝位卡紧机构与伸缩膨胀体组合成尺蠖运动直线电机的机构示意图(机构固定输出轴移动的形式)；

图7为两个或两个以上的基于尺蠖运动直线电机电磁箝位卡紧机构与伸缩膨胀体组合成尺蠖运动直线电机的机构示意图(输出轴固定机构移动的形式)。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：磁场产生装置1、滚动体2、输出轴3和壳体4，其中：磁场产生装置1固定设置于壳体4的外部，壳体4和滚动体2依次套接于输出轴3的外部。

如图1至图4所示，所述的磁场产生装置1为分别设置于壳体4两侧的两组电磁线圈5、6或者是分别设置于壳体4两侧的两组永磁体7、8或者是分别设置于壳体4两侧的电磁线圈5以及永磁体7；

所述的滚动体2为铁磁材料或铁磁-非铁磁复合材料制成；

所述的输出轴3为单根刚性的杆件、板件、管体、线缆或钢缆。

所述的壳体4所述的壳体的剖面为梯形；

初始状态下输出轴3贯通壳体4，壳体4内部输出轴3上、下两侧各设有一个(如图1所示)滚动体2，滚动体2在壳体4中自由放置。在壳体4两个外端面放有第一电磁线圈5和第二电磁线圈6，输出轴3也贯穿这两个电磁线圈，壳体4固定不动。

如图1所示，对壳体4左端第一电磁线圈5通电时，处于自由状态的滚动体2由于磁吸力作用，吸附在靠近壳体4左内壁一侧。由于壳体4左端内壁处腔体在垂直输出轴3移动方向上的腔体尺寸略小于在同方向上输出轴3和输出轴3(如图1所示位置的)上、下侧滚动体2的尺寸之和，所以当滚动体2被吸附时，滚动体2会被卡在输出轴3和壳体4(上、下侧)内壁之间，而不能最终接触到壳体4的左侧壁。此时，当拖动输出轴3向左移动，由于摩擦力作用，输出轴3会带动滚动体2，使得滚动体2更加紧地卡在输出轴3和壳体4(上、下侧)内壁之间，致使输出轴3被箝位锁紧，并且锁紧力随向左拖动力增大而增大，拖动力越大卡得越紧。此时，输出轴3处于向左移动卡紧的单向箝位卡紧状态。

当给壳体4左端第一电磁线圈5断电，同时给壳体4右端第二电磁线圈6通电，滚动体2被吸附在壳体4内测右端面处。由于壳体4右端内壁处腔体在垂直输出轴3移动方向上的腔体尺寸略大于在同方向上的输出轴3和输出轴3(如图1所示位置的)上、下测滚动体2的尺寸之和，所以当滚动体被吸附时，滚动体2不会被卡在输出轴3和壳体4(上、下侧)内壁之间，而可以最终接触到壳体4的右侧壁。此时，输出轴3可以被左、右拖动，输出轴3处于箝位释放状态。

如图5所示，对于以上实施例滚动体2为一个以上的滚动体组成，可已通过电磁控制实现箝位卡紧状态和释放状态。

至此，相对输出轴3的单向电磁箝位和箝位释放两种状态得以实现。

实施例2

如图2所示，本实施例中的壳体4的剖面为纺锤形，具体为镜像对称的六边形结构，所述的滚动体2分别对称设置于壳体4内，滚动体2的个数为一对或两对。

所述的滚动体2具体为滚珠或滚轴。

如图3和图4所示。箝位卡紧和释放状态的实现与前述磁吸力作用机理相同，只是吸引滚动体2滚动的电磁力是第一电磁线圈5或第二电磁线圈6产生的磁场力和永磁场力的矢量合力作用的结果。当需要将滚动体2靠近第一电磁线圈5或第二电磁线圈6一侧的壳体4的内壁时，则对第一电磁线圈5或第二电磁线圈6通入较强的电流产生较强的与永磁体7吸力相反的磁吸力，吸动滚动体2靠近第一电磁线圈5或第二电磁线圈6一侧的侧壁。当需要将滚动体2靠近永磁体7一侧的壳体4的内壁时，则对第一电磁线圈5或第二电磁线圈6通入较小的电流或通入能产生与永磁体7磁场同向的电磁场电流或断电，则永磁体7的吸力或电、永磁复合吸力，吸动滚动体2靠近永磁体7一侧侧壁。这样，通过一个第一电磁线圈5或第二电磁线圈6可以控制滚动体2在壳体4中的位置，从而也可以实现对输出轴3的箝位卡紧和箝位释放。并且，基于这种永磁体7的吸力，可以实现断电情况下的输出轴单向箝位、限位或释放状态。

如图3(a)所示，当永磁体7置于壳体4左测，那么在断电时，输出轴3向左移动被箝位限制。如图3(b)所示，永磁体7置于壳体4右测，那么断电时，输出轴3可处于始终释放状态。

至此，相对输出轴3的电磁线圈和永磁体共同作用的作用的单向电磁箝位和箝位释放两种状态得以实现。

另外，对于如图4所示的双永磁体7、8的结构形式，对于两对滚动体2，初始状态下被永磁体7、8分别吸附在壳体4两内侧壁上，则输出轴3可以实现无电源激励卡紧固定状态。

实施例3

如图6、图7所示，本实施例中涉及一种尺蠖运动直线电机，包括：两个以上成对设置且由中间伸缩膨胀体10相互对称连接的电磁箝位机构9，该尺蠖运动直线电机通过交替控制一对电磁箝位机构中一侧卡紧另一侧释放的方式实现长距离移动或往复运动。

所述的电磁箝位机构9中的输出轴3为多根由中间伸缩膨胀体10串联连接的刚性的杆件、板件、线缆或钢缆。

本实施例通过交替控制如图6、图7中的直线电机的左边的箝位机构9卡紧，右边的箝位机构9释放，此时中间伸缩膨胀体10伸长会推动右端的输出轴3向右端移动；之后，控制伸缩膨胀体10右边箝位机构9卡紧，释放伸缩膨胀体10左端箝位机构9，然后收缩中间伸缩膨胀体10，此时由于右端卡紧，左端释放，所以电机中间膨胀体10也即是电机整体，将随着中间伸缩膨胀体10的收缩而向右移动。重复以上过程，该电机将会单次移动位移累加，变成一个可长距离移动的直线电机。并且，通过控制电机的左和右端箝位的先后次序，可以实现该电机的往复运动。

Claims (4)

1.一种电磁箝位机构，其特征在于，包括：磁场产生装置、滚动体、输出轴和壳体，其中：磁场产生装置固定设置于壳体的外部，壳体和滚动体依次套接于输出轴的外部；

所述的壳体的剖面为等腰梯形、镜像对称的六边形结构或纺锤体；

所述的滚动体为铁磁材料或铁磁-非铁磁复合材料制成；

所述的输出轴为单根或多根由中间伸缩膨胀体串联连接的刚性杆件、板件、线缆或钢缆。

2.根据权利要求1所述的电磁箝位机构，其特征是，所述的磁场产生装置为以下结构中的任意一种：

a)分别设置于壳体两侧的两组电磁线圈；

b)分别设置于壳体两侧的两组永磁体；

c)分别设置于壳体两侧的电磁线圈以及永磁体。

3.根据权利要求1所述的电磁箝位机构，其特征是，所述的滚动体具体为一个以上的滚珠或滚轴。

4.一种尺蠖运动直线电机，其特征在于，包括两个以上成对设置且由中间伸缩膨胀体相互对称连接的如上述任一权利要求所述的电磁箝位机构，该尺蠖运动直线电机通过交替控制一对电磁箝位机构中一侧卡紧另一侧释放的方式实现长距离移动或往复运动。

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