CN103001392B - 基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置，包括电磁线圈、磁轭和具有方向异形尺寸形状的方向异形永磁体，其中，所述电磁线圈包裹在磁轭的外表面，所述磁轭的一端与方向异形永磁体的一侧壁吸附接触。本发明基于永磁体和电磁体相互作用，在电磁激励作用下因产生磁极偏转而使转/摆动直接产生平动位移或驱动力，运动驱动直接，机构简单，刚性好；容易实现超大伸缩运动；也容易实现微小位移；运动位移精确；运动力、位移大小和精度可以通过精确施加磁场或电流的强度来控制，控制简单、方便；将永磁体磁场直接用于驱动，在较小激励电流输入时，电磁场与永磁场复合作用产生较大的驱动磁场，使机构的驱动力大，驱动响应快，节电。

Description

基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置

技术领域

本发明涉及一种摆动驱动装置技术领域，具体是一种基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置。 

背景技术

近些年来，电、磁致伸缩材料领域发展迅速，产生了如巨磁致伸缩材料、压电陶瓷以及磁致伸缩形状记忆合金等新型的可用于精密驱动器、传感器和直线电机研制的机敏材料，这些材料具有能量密度大，输出功率高，伸缩形变精确等优点，但是基于机敏材料的驱动普遍存在伸缩位移小，驱动激励过程复杂，组成部件多，可靠性差等缺点。因此，基于机敏材料的伸缩机构不适合小体积高能大行程驱动应用领域。 

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置。本发明基于永磁体和电磁体相互作用，在电磁激励作用下因产生磁极偏转而使转/摆动直接产生平动位移或驱动力，从而形成转动及相应平动幅度大小可控、位移精确、响应迅速、输出位移和输出力较大的电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置。 

本发明是通过以下技术方案实现的。 

一种基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置，包括电磁线圈、磁轭和具有方向异形尺寸形状的方向异形永磁体，其中，所述电磁线圈包裹在磁轭的外表面，所述磁轭的一端与方向异形永磁体的一侧壁吸附接触。 

所述方向异形永磁体为若干个，其中靠近磁轭的方向异形永磁体上连接有转动轴；所述转动轴固定放置在磁轭的一端电磁磁场作用距离内，且与方向异形永磁体的转动平面垂直。 

所述转动轴穿过方向异形永磁体，并且置于方向异形永磁体投影平面的任意有利于实现方向异形永磁体产生摆动位移的位置上。 

所述连接转动轴的方向异形永磁体上设有滑槽，所述转动轴随方向异形永磁体驱动时在滑槽中滑动。 

所述滑槽为滑转槽，所述转动轴在滑转槽中滑转动；或 

所述滑槽为平动滑漕，所述转动轴置于平动滑槽中间，并相对平动滑槽平动和转动；所述平动滑槽中其一内侧壁与转动轴之间设有复位弹簧。 

所述若干方向异形永磁体为一个或多个，其中： 

-多个方向异形永磁体沿励磁方向串联；或 

-多个方向异形永磁体通过约束轴将同极端连接在一起。 

所述电磁线圈和磁轭分别为数量相等的若干个，并分布在方向异形永磁体周围；还包括转动轴以及摆动位移放大杆，其中，所述转动轴与方向异形永磁体转动连接，所述摆动位移放大杆固连在方向异形永磁体上且与方向异形永磁体同步转动。 

所述摆动位移放大杆的两端分别设有用于增加转动效果的调整部件，所述磁轭与方向异形永磁体的接触面之间设有用于增加断电永磁吸力保持效果的吸附块，所述吸附块与方向异形永磁体固连。 

所述调整部件分别为配重球体和设有约束部件的位移输出带；所述位移输出带在位移输出方向上可自由运动，在其他方向上受到约束部件的约束。 

所述任一方向异形永磁体为永磁体和外部刚性材料体组合的结构体，包括： 

-一个或一个以上永磁体嵌入外部刚性材料体中，其中，永磁体的长度方向与外包刚性材料体的长度方向一致或呈θ夹角，0≤θ≤90度；或 

-一个以上永磁体并排置于外部刚性材料体中，其中，极化方向呈θ角，0≤θ≤90度；或 

-具有一对以上磁极的永磁体置于外部刚性材料体； 

所述外部刚性材料体为圆柱体、球体或圆柱体和球体固连的方向异形结构体。 

所述方向异形永磁体整体为一个椭球体。 

本发明根据磁场间相互作用原理，当方向异形永磁体的磁场与电磁线圈和磁轭构成的电磁铁所产生磁场不在同一方向上时，电磁场作用下方向异形永磁体将发生偏转，直至方向异形永磁体磁场方向与电磁场方向一致时偏转停止。因此，如果在电磁场激励前方向异形永磁体的磁场方向与电磁铁所产生的磁场方向不一致，那么方向异形永磁体的磁极方向在电磁场作用下将发生偏转而致使永磁体偏转。由于方向异形永磁体具有尺寸形状的方向异形，所以当方向异形永磁体旋转时，其在电磁场方向上的长度发生变化，同时远离电磁铁的方向异形永磁体磁极端可以用来推动与之相连的物体，而产生一个在磁场方向的位移。并且该位移的大小可以通过控制在电磁线圈中施加的电流强度即产生的电磁场强度或电磁场力强度及施加电流方向进行控制。当方向异形永磁体受足够磁场激励时，发生由初始竖直方向到水平方向的完全偏摆，可获得最大的偏摆直线位移。 

同理，对电磁线圈施加反向电流，产生与之前相反方向的电磁力，那么之前远离磁轭的方向异形永磁体的极端将被吸引而向靠近磁轭的方向运动，同时，之前吸附在磁轭端面的方向异形永磁体的极端将受斥力而向远离磁轭的方向运动。这样，通过控制电磁铁磁场强度和通电时间，可使方向异形永磁体发生与之前相反的由水平方向向竖直方向的偏转运动，当方向异形永磁体转至竖直位置时断电，方向异形永磁体将恢复并由于磁轭的吸力保持在竖直位置上。 

这样，经过对电磁线圈施加一定强度的正反向电流，以及控制电流通断时间，方向异形永磁体的一个端面/点（初始为励磁后远离磁轭的端面）可以发生在水平方向上行程为ΔX的往复运动。那么，对一个与该端点接触的物体，则可以带动该物体而实现在水平方向上达到需求行程的位移。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

1、直接实现了基于摆动/转动运动而产生的直线往复运动，运动驱动直接，机构简单，刚性好； 

2、容易实现超大伸缩行程；也容易实现微小位移；位移精确； 

3、运动力、位移大小和精度可以通过精确施加磁场或电流的强度来控制，控制简单、方便； 

4、将永磁体磁场直接用于驱动，在较小激励电流输入时，电磁场与永磁场复合作用产生较大的驱动磁场，使机构的驱动力大，驱动响应快，节电。 

本发明的机构可用于研制要求驱动部件极少，体积和重量微小，产生较大位移、高精度往复驱动功能的装置。 

附图说明

图1为摆动驱动器基本组成结构示意图，其中，（a）为初始位置，(b)为电磁机理过程中位置； 

图2为摆动驱动器加导向和转轴部件的组成结构示意图，其中，（a）为整体结构示意，(b)为滑槽导向与转轴连接关系示意； 

图3为实施例5结构示意图； 

图4为实施例6结构示意图； 

图5为方向异形永磁体多种结构和组成示意图，其中，（a）为三种结构示意图；（b）外部刚性材料体为圆柱体或球体；（c）为外部刚性材料体为圆柱体或球体固连方向异形结构体； 

图6为若干方向异形永磁体共同作用的驱动机构示意图，其中，（a）为正向电磁场工作 状态，（b）为反向电磁场工作状态； 

图7为一个以上形状异形永磁体沿磁场方向串行放置，在初始状态和磁场激励后沿磁场方向伸展排列的情况示意图； 

图8多个电磁线圈和磁轭构成的电磁铁布置示意图； 

图中，1为电磁线圈，2为磁轭，3为方向异形永磁体，4为转动轴，5为滑转漕，6为平动滑漕，7为复位弹簧，8为摆动位移放大杆，9为调整部件，10为配重球体，11为位移输出带，12为约束部件，13为吸附块，14为转动铰链，15为约束轴。 

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，本实施例的摆动驱动器包括：电磁线圈1、磁轭2和具有方向异形尺寸形状的方向异形永磁体3，其中，电磁线圈1包裹在磁轭2的外表面，磁轭2的一端与方向异形永磁体3的一侧壁吸附接触。初始时，电磁线圈1、磁轭2固定不动，磁轭2的一端与方向异形永磁体3一个侧壁吸附接触。 

根据磁场间相互作用原理，当方向异形永磁体3的磁场与电磁线圈1和磁轭2构成的电磁铁所产生磁场不在同一方向上时，电磁场作用下方向异形永磁体3将发生偏转，直至方向异形永磁体3磁场方向与电磁场方向一致时偏转停止。因此，对于如图1所示机构，如果在电磁场激励前，如图1（a）所示，方向异形永磁体3的磁场方向与电磁铁将产生的磁场方向不一致，那么方向异形永磁体3的磁极方向在电磁场作用下将发生偏转而致使方向异形永磁体3偏转。由于方向异形永磁体3具有尺寸形状的方向异形，所以当方向异形永磁体3旋转时，其在电磁场方向上的长度发生变化，同时远离电磁铁的永磁体磁极端可以用来推动与之相连的物体，而产生一个在磁场方向的位移ΔX,如图1（b）所示。并且ΔX的大小可以通过控制在电磁线圈中施加的电流强度即产生的电磁场强度或电磁场力强度及施加电流方向进行控制。方向异形当方向异形永磁体3受足够磁场激励时，发生由初始竖直方向到水平方向的完全偏摆，可获得最大的偏摆直线位移ΔX_max。 

同理，对电磁线圈1施加反向电流，产生与之前相反方向的电磁力，那么之前远离磁轭2的方向异形永磁体3的极端将被吸引而向靠近磁轭2的方向运动，同时，之前吸附在磁轭2 端面的方向异形永磁体3的极端将受斥力而向远离磁轭2的方向运动。这样，通过控制电磁铁磁场强度和通电时间，可使方向异形永磁体3发生与之前相反的由水平方向向竖直方向的偏转运动，当方向异形永磁体3转至竖直位置时断电，方向异形永磁体3将恢复并优异于磁轭2的吸力保持在竖直位置上。 

这样，经过对电磁线圈施加一定强度的正反向电流，以及控制电流通断时间，方向异形永磁体3的一个端面/点（初始为励磁后远离磁轭2的端面）可以发生在水平方向上行程为ΔX的往复运动。那么，对一个与该端点接触的物体，则可以带动该物体而实现在水平方向上为ΔX行程的位移，从而实现往复摆动驱动。 

为在偏摆过程中的磁轭2与方向异形永磁体3之间能光滑接触转动，方向异形永磁体3整体可为一个椭球体，以便方向异形永磁体3在任意位置都可以与磁轭2外端面产生“点”接触，从而使转动接触摩擦小，转动灵活。 

实施例2 

实施例2为实施例1的变化例。 

如图2(a)所示，本实施例在实施例1的基础上，方向异形永磁体3为若干个，其中，靠近磁轭的方向异形永磁体3连接有转动轴4；转动轴4固定放置在磁轭2的一端电磁磁场作用距离内，且与方向异形永磁体3的转动平面垂直。初始时，电磁线圈1、磁轭2固定不动，磁轭2的一端电磁铁磁场作用距离内固定放置一个转动轴4，该转动轴与方向异形永磁体3的转动平面垂直，方向异形永磁体3与转动轴4连接，方向异形永磁体3可以以转动轴4为转轴转动。 

优选地，转动轴4可以穿过方向异形永磁体3，并且置于与转动轴4垂直的方向异形永磁体3投影平面的任意有利于实现方向异形永磁体3产生摆动位移效果的位置上。本实施例作用机理和产生摆动过程同实施例1，可增加方向异形永磁体3摆动过程中的稳定性。 

实施例3 

实施例3为实施例2的变化例。 

如图2(b)所示，本实施例在实施例2的基础上，连接转动轴4的方向异形永磁体3上设有滑槽，转动轴4随方向异形永磁体3驱动时在滑槽中滑动。 

优选地，滑槽为滑转槽5，初始时，电磁线圈1、磁轭2以及转动轴4固定不动，并且，方向异形永磁体3上设有滑转槽5。转动轴4可以随方向异形永磁体3驱动时在滑转槽5中滑转动。本实施例作用机理和产生摆动过程同实施例1，但可增加方向异形永磁体3摆动过程中的稳定性。 

实施例4 

实施例4为实施例3的变化例。 

如图2(c)和(d)所示，本实施例与实施例3的区别在于，滑槽为平动滑漕6，转动轴4置于平动滑槽6中间，并相对平动滑槽6平动和转动；平动滑槽6中其一内侧壁与转动轴4之间设有复位弹簧7。具体为，初始时，电磁线圈1、磁轭2以及平动滑槽6和复位弹簧7固定。转动轴4置于平动滑槽6中间，可以相对平动滑槽6平动和转动。在平动滑槽6的滑槽中设有复位弹簧7，该复位弹簧7置于转动轴4和平动滑槽6的一个内侧壁之间。作用过程同实施例1，方向异形永磁体3的被驱动时，将带动与之固连的转动轴4转动并同时在平动滑槽6中平动。并且，在这个过程中，复位弹簧7受挤压。当电磁线圈1断电时，复位弹簧7的弹性恢复力将促使转动轴4即方向异形永磁体3复位。本实施例作用机理和产生摆动过程同实施例1，但可增加方向异形永磁体3摆动过程中的稳定性和往复作用的复位效果。 

实施例5 

实施例5为实施例2的优选例。 

如图7所示，作用机理和过程及组成部件同实施例1。在本实施例中，若干方向异形永磁体3沿励磁方向串联。工作时，当激励磁场足够强，那么n个方向异形永磁体3将沿磁场方向首尾相连驱动。那么沿运动方向，最外侧方向异形永磁体3所产生的摆动致使的平动位移是其他方向异形永磁体3经摆动而所产生相应平动位移之和，即总平动位移增加了n倍。在此实施例工作时，根据实施例7，可以增加运动在期望的方向导向其他方向运动约束的装置，以使所期望的n个方向异形永磁体3的累积位移驱动更稳定（图略）。 

实施例6 

实施例6为实施例2的优选例。 

如图6所示，作用机理和过程及组成部件同实施例1。在本实施例中，若干方向异形永磁体3的N极端（同极端）由约束轴15连接在一起。若干个方向异形永磁体3可以相对约束轴15转动，约束轴15可与若干个方向异形永磁体3随动。其他组成部件同实施例4。工作时，当加正向激励磁场H（磁极方向向上），则若干个方向异形永磁体3受N极斥力和S极吸力作用转动并连同约束轴15产生向上运动，直至转动轴4受平动滑槽6约束停止。此时，转动轴4处于最左端。当加反向激励磁场H（磁极方向向下），则若干个方向异形永磁体3受N极吸力和S极斥力作用转动并连同约束轴15产生向下运动，直至转动轴4受复位弹簧7约束停止。此时，转动轴4处于最右端。至此，经过正反向磁场作用一次，转动轴4在平动滑槽6中的位置变化ΔX，那么与转动轴4相连的物体被推动产生ΔX的位移。如此往复加载电磁场H，则转动轴4将带动物体产生位移为ΔX的往复运动。该驱动力以及驱动位移由所施加电 磁力和复位弹簧7的弹力决定。 

实施例7 

实施例7为实施例1的变化例。 

如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于：电磁线圈1和磁轭2分别为数量相等的若干个，所述方向异形永磁体3位于若干磁轭2之间。优选地，本实施例包括两个电磁线圈1、两个磁轭2、方向异形永磁体3、转动轴4以及摆动位移放大杆8，转动轴4与方向异形永磁体3转动连接，摆动位移放大杆8固连在方向异形永磁体3上且与方向异形永磁体3同步转动。 

优选地，摆动位移放大杆8的两端分别设有用于增加转动效果的调整部件9，磁轭2与方向异形永磁体3的接触面之间设有用于增加断电永磁吸力保持效果的吸附块13，吸附块13与方向异形永磁体3固连。 

初始时，电磁线圈1、磁轭2以及转动轴4固定。转动轴4与方向异形永磁体3相连，且方向异形永磁体3能够绕转动轴4转动。摆动位移放大杆8固连在方向异形永磁体3，摆动位移放大杆8与方向异形永磁体3同步转动，放大了方向异形永磁体3极端的平动位移，放大量与摆动位移放大杆8的长度成正比。同时，本实施例在摆动位移放大杆8的两端增加转动效果调整部件9和断电永磁吸力保持效果的吸附块13。吸附块13与方向异形永磁体3固连置于磁轭2与方向异形永磁体3的接触面之间。 

实施例8 

实施例8为上述实施例7的变化例。 

如图4所示，在本实施例中，摆动位移放大杆8的一端的调整部件9为配重球体10；摆动位移放大杆8的另一端的调整部件9为设有约束部件12的位移输出带11，该位移输出带11在运动方向为刚性，在垂直于运动方向上具有柔性。位移输出带11在位移输出方向上可自由运动，在其他方向均受到约束部件12约束。约束部件12起到运动位移导轨和导向作用。吸附块13与方向异形永磁体3固连置于磁轭2与方向异形永磁体3的接触面之间。本实施例作用机理和产生摆动过程同实施例5，但通过增加位移输出带11和约束部件12，使方向异形永磁体3摆动转化为稳定的平动。 

实施例9 

实施例9为上述8个实施例的变化例。 

如图5所示，本实施例在上述6个实施例的任一实施例的基础上，优选方向异形永磁体3为一种永磁和刚性材料组合的结构体，如图5（a）所示，包括： 

方向异形永磁体3变为一个或一个以上永磁体嵌入外形为形状异形刚性材料体中，永磁 体的长度方向与外包刚性材料体的长度方向一致或呈θ夹角，0≤θ≤90度；或 

一个以上永磁体并排置于刚性材料体中，极化方向呈θ角，0≤θ≤90度；或 

具有一对以上磁极的永磁体置于刚性材料体中，例如，单个永磁体但具有一对以上的磁极，如构型上是十字交叉型，每个交叉方向上被充磁而具有极性。 

如图5（b），外部刚性材料体为圆柱体或球体；如图5（c），外部刚性材料体为圆柱体或球体固连方向异形结构体；如图5（b）所示，基于前述机理，该圆柱体或球体只能产生一个方向同性转动，但是配以方向异形结构体，如图5（c）所示，则可以产生方向异形转动。并且，本实施例中具有一个以上永磁体，可以使在相同电磁场激励下的转动力矩成倍增加。外部刚性材料体也更较永磁体易于加工成任何所需的外轮廓型面。 

实施例10 

实施例10为上述9个实施例的变化例。 

如图8所示，作用机理和过程及组成部件同实施例1至9，其他组件相同，优选地，所使用的电磁线圈1和磁轭2构成的电磁铁为一个以上，在方向异形永磁体3周围布置。这样多个电磁铁复合作用可增加永磁体摆动驱动效果。 

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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。 

Claims (9)

1.一种基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置，其特征在于，包括电磁线圈、磁轭和具有方向异形尺寸形状的方向异形永磁体，其中，所述电磁线圈包裹在磁轭的外表面，所述磁轭的一端与方向异形永磁体的一侧壁吸附接触；

所述电磁线圈和磁轭分别为数量相等的若干个，并分布在方向异形永磁体周围；还包括摆动位移放大杆，其中，所述摆动位移放大杆固连在方向异形永磁体上且与方向异形永磁体同步转动。

2.根据权利要求1所述的基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置，其特征在于，所述方向异形永磁体为若干个，其中靠近磁轭的方向异形永磁体上连接有转动轴；所述转动轴固定放置在磁轭的一端电磁磁场作用距离内，且与方向异形永磁体的转动平面垂直。

3.根据权利要求2所述的基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置，其特征在于，所述转动轴穿过方向异形永磁体，并且置于方向异形永磁体投影平面的任意有利于实现方向异形永磁体产生摆动位移的位置上。

4.根据权利要求2所述的基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置，其特征在于，所述连接转动轴的方向异形永磁体上设有滑槽，所述转动轴随方向异形永磁体驱动时在滑槽中滑动。

5.根据权利要求4所述的基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置，其特征在于，所述滑槽为滑转槽，所述转动轴在滑转槽中滑转动；或

所述滑槽为平动滑漕，所述转动轴置于平动滑槽中间，并相对平动滑槽平动和转动；所述平动滑槽中其一内侧壁与转动轴之间设有复位弹簧。

6.根据权利要求2所述的基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置，其特征在于，所述若干方向异形永磁体为一个或多个，其中：

-多个方向异形永磁体沿励磁方向串联；或

-多个方向异形永磁体通过约束轴将同极端连接在一起。

7.根据权利要求1所述的基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置，其特征在于，所述摆动位移放大杆的两端分别设有用于增加转动效果的调整部件，所述磁轭与方向异形永磁体的接触面之间设有用于增加断电永磁吸力保持效果的吸附块，所述吸附块与方向异形永磁体固连。

8.根据权利要求7所述的基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置，其特征在于，所述调整部件分别为配重球体和设有约束部件的位移输出带；所述位移输出带在位移输出方向上可自由运动，在其他方向上受到约束部件的约束。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的基于电磁能和永磁能复合能量的摆动驱动装置，其特征在于，所述方向异形永磁体为永磁体和外部刚性材料体组合的结构体，包括：

-一个以上永磁体嵌入外部刚性材料体中，其中，永磁体的长度方向与外包刚性材料体的长度方向呈θ夹角，0≤θ≤90度；或

-一个以上永磁体并排置于外部刚性材料体中，其中，永磁体的极化方向与外包刚性材料体的径向线呈θ角，0≤θ≤90度；或

-具有一对以上磁极的永磁体置于外部刚性材料体；

所述外部刚性材料体为圆柱体、球体或圆柱体和球体固连的方向异形结构体。