CN104184363A - 超磁致伸缩步进电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超磁致伸缩步进电机，包括输出轴，由转子、超磁致伸缩驱动器、连杆、定子和离合器组成的旋转驱动装置，轴承，壳体和端盖。电机采用多个由转子、超磁致伸缩驱动器、连杆、定子和离合器组成的旋转驱动装置，利用超磁致伸缩驱动器带动连杆驱动转子旋转，同时依靠离合器依次循环动作输出转子的旋转。相比于传统的超磁致伸缩驱动电机，本发明具有结构紧凑、功重比大、输出转矩大、效率高、运行平稳和能够实现正反两个方向任意角度转动的优点，推动了超磁致伸缩步进电机在精密机械驱动领域更加广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种精密机械驱动领域的步进电机，具体的说是一种超磁致伸缩步进电机。
背景技术
超磁致伸缩材料是一种尺寸可随外部磁场变化发生伸缩，且磁致伸缩系数远远大于传统磁致伸缩材料的特殊功能材料。超磁致伸缩材料具有机电转换效率高、能量密度的、响应速度快、输出位移大，可靠性高和易于驱动的特点。利用超磁致伸缩材料制作的换能器、音响、直线驱动器、旋转驱动器等在国防军事、家电设备、机器人、微机械电子系统等领域得到了广泛的应用。现有的超磁致伸缩电机文献中国专利“一种单驱双向旋转型超磁致伸缩电机”提出了一种采用超磁致伸缩驱动器驱动定子扭转，利用定子和转子之间的摩擦力进行力矩传动实现电机旋转的技术方案；
现有技术存在如下不足：采用单一的辞职伸缩驱动器驱动定子扭转，其输出力矩较小；通过定子和转子之间的面接触摩擦驱动转子转动会产生能量损失和发热，且效率比较低，且输出扭矩大小同时受制于材料接触表面粗糙程度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提供了一种超磁致伸缩步进电机，该步进电机具有结构紧凑、功重比大、输出转矩大、效率高和能实现正反两个方向任意角度转动的优点；
为实现上述目的，本发明提出如下的技术方案：一种超磁致伸缩步进电机，包括输出轴，由转子、超磁致伸缩驱动器、连杆、定子和离合器组成的旋转驱动装置，轴承，壳体和端盖。旋转驱动装置中转子和定子同轴，转子和离合器为同轴固定连接，超磁致伸缩驱动器可输出长度方向的伸缩运动，超磁致伸缩驱动器一端和定子固定连接、另一端和连杆一端形成转动副连接，连杆另一端和转子以转动副形式连接，连杆和转子连接点所对应的转子半径与连杆之间所成的角度为钝角，连杆和超磁致伸缩驱动器之间所成的角度也为钝角，磁致伸缩器的长度方向和其与定子连接点所在半径的方向相同，多个超磁致伸缩驱动器和连杆关于转子中心对称均匀分布。旋转驱动装置的定子和壳体之间为固定连接，旋转驱动装置的转子和输出轴为同轴关系，旋转驱动装置的离合器和输出轴为同轴关系，离合器在抱紧状态下旋转驱动装置和输出轴之间为过盈配合，离合器在松开状态下输出轴和旋转驱动装置为间隙配合。输出轴通过轴承和壳体之间形成转动副连接，端盖和壳体之间为可拆卸固定连接；
所述超磁致伸缩驱动器由超磁致伸缩棒和驱动线圈组成，在驱动线圈产生的变化磁场作用下，超磁致伸缩棒会产生沿长度方向的伸缩运动；
所述转子为中心对称的圆盘状，同时为减小步进电机输出力矩时转子本身的转动惯量，增大其负载能力，转子结构可进行减重处理，将其设计为蜂窝状或轮辐状；
所述连杆和超磁致伸缩驱动器之间以及连杆和转子之间的转动副连接可以由轴承实现，也可以以柔性铰链的方式实现；
所述多个旋转驱动装置可以以输出力矩方向相同的安装方式、相邻旋转驱动装置输出力矩相反的安装方式或任何其它旋转驱动装置的排列形式安装，对本步进电机来讲，只需要根据结构和需要控制施加给每个旋转驱动器上电流的方向，全部都可以实现两个方向任意角度的转动；
所述输出轴在轴向固定，只存在绕其中心轴线转动的自由度；
所述壳体为上端开口的空心圆柱体形状，端盖和壳体上端开口通过螺纹连接固定，以将步进电机内部的旋转驱动装置封装起来，增强其防护可靠性；
本发明超磁致伸缩步进电机的工作原理为：首先在第一个旋转驱动装置中关于转子中心对称均匀分布的多个超磁致伸缩驱动器的线圈中施加驱动电流并且离合器抱紧输出轴时，由于磁致伸缩电效应超磁致伸缩驱动器产生长度方向的伸长（或缩短）变形，从而推动连杆带动转子和输出轴进行旋转，当第一个旋转驱动装置中超磁致伸缩驱动器的伸长（或收缩）形变达到最大时，断开第一个旋转驱动装置驱动电流并且松开离合器的同时在第二个旋转驱动装置中关于圆盘转子中心对称均匀分布的多个超磁致伸缩驱动器中施加驱动电流与第一个旋转驱动装置驱动电流方向相同或相反的电流并且使离合器抱紧输出轴，使第二个旋转驱动装置以相同或相反方向的转矩继续驱动输出轴转动，第一个旋转驱动装置则在超磁致伸缩棒的弹性回复力作用下恢复到原来的形状，第二个旋转驱动装置完成一个有限转角的旋转驱动后同样由后面的多个旋转驱动装置进行方向相同方式的步进驱动，最后一个旋转驱动装置完成步进驱动后可继续从第一个旋转驱动装置循环，以此来实现步进电机在正反两个方向任意角度的旋转；
本发明超磁致伸缩步进电机相比传统的超磁致伸缩驱动电机来讲其优势在于：采用了多个由转子、关于转子中心对称均匀分布的超磁致伸缩驱动器和连杆、离合器及定子组成的旋转驱动装置，利用离合器和超磁致伸缩驱动器动作的配合实现旋转驱动器依次驱动旋转步进的方法，多个超磁致伸缩驱动器和连杆同时作用使得驱动器的结构紧凑，功重比大，大大提高了电机的输出转矩；利用超磁致伸缩驱动器作为滑块推动连杆直接偏置拉动转子产生扭矩的方法效率更高，且不存在滑动摩擦导致的过热问题；超磁致伸缩驱动器和连杆的对称分布结构抵消了输出轴受到的径向力，使得驱动器的运行更平稳，减小磨损和运行噪音；通循环依次控制多个旋转驱动装置中超磁致伸缩驱动器和离合器的动作可以实现电机正反两个方向任意角度的旋转。
附图说明
图1为本发明超磁致伸缩步进电机的内部结构示意图；
图2 为本发明旋转驱动装置的结构示意图；
图3 为本发明超磁致伸缩步进电机封装后的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图1、附图2、附图3和一个具体实施例对本发明超磁致伸缩步进电机进行进一步的说明。以下所述实施例仅是为了更好的说明本发明的发明内容，本发明包含但不限于本实施例中所描述内容；
如图1、图2和图3所示分别为本发明超磁致伸缩步进电机的内部结构示意图、旋转驱动装置的结构示意图和封装后结构示意图，超磁致伸缩步进电机由输出轴1，由转子201、超磁致伸缩驱动器202、连杆203、定子204和离合器205组成的旋转驱动装置2a-2c，轴承3a、3b，壳体4和端盖5组成。旋转驱动装置2a-2c中转子201和定子204同轴，转子201和离合器205为同轴固定连接，超磁致伸缩驱动器202可输出长度方向的伸缩运动，超磁致伸缩驱动器202一端和定子204固定连接、另一端和连杆203一端形成转动副连接，连杆203和转子201以转动副形式连接，连杆203和转子201连接点所对应的转子半径与连杆203之间所成的角度为钝角，连杆203和超磁致伸缩驱动器202之间所成的角度也为钝角，磁致伸缩器202的长度方向和其与定子204连接点所在半径的方向相同，多个超磁致伸缩驱动器202和连杆203关于转子201中心对称均匀分布。旋转驱动装置2a-2c的定子204和壳体4之间为固定连接，旋转驱动装置2a-2c的转子201和输出轴1为同轴关系，旋转驱动装置2a-2c的离合器205和输出轴1为同轴关系，离合器205在抱紧状态下旋转驱动装置2a-2c和输出轴1之间为过盈配合，离合器205在松开状态下输出轴1和旋转驱动装置2a-2c为间隙配合。输出轴1通过轴承3a、3b和壳体4之间形成转动副连接，端盖5和壳体4之间为可拆卸固定连接；
本实施例中超磁致伸缩驱动器202由超磁致伸缩棒和驱动线圈组成，在驱动线圈产生的变化磁场作用下，超磁致伸缩棒会产生沿长度方向的伸缩运动。转子201经减重处理设计为轮辐状，以减小步进电机输出力矩时转子201本身的转动惯量，增大其负载能力。连杆203和超磁致伸缩驱动器202之间以及连杆203和转子201之间的转动副连接以由滑动轴承实现。旋转驱动装置2a-2c以输出力矩方向相同的安装方式安装，输出轴1在轴向固定，只存在绕其中心轴线转动的自由度。壳体4为上端开口的空心圆柱体形状，端盖5和壳体4上端开口通过螺纹连接固定，以将步进电机内部的旋转驱动装置2a-2c封装起来，增强其防护可靠性；
当在第一个旋转驱动装置2a中关于转子201中心对称均匀分布的多个超磁致伸缩驱动器202的线圈中施加驱动电流并且离合器205抱紧输出轴1时，由于磁致伸缩电效应超磁致伸缩驱动器202产生长度方向的伸长（或缩短）变形，从而推动连杆203带动转子201和输出轴1进行旋转，当第一个旋转驱动装置2a中超磁致伸缩驱动器202的伸长（或收缩）形变达到最大时，断开第一个旋转驱动装置2a的驱动电流并且松开离合器205的同时在第二个旋转驱动装置2b中关于转子201中心对称均匀分布的多个超磁致伸缩驱动器202中施加驱动电流与第一个旋转驱动装置2a驱动电流方向相同或相反的电流并且使离合器205抱紧输出轴1，使第二个旋转驱动装置2b以相同或相反方向的转矩继续驱动输出轴1转动，第一个旋转驱动装置2a则在超磁致伸缩棒的弹性回复力作用下恢复到原来的形状，第二个旋转驱动装置2b完成一个有限转角的旋转驱动后同样由后面的旋转驱动装置2c进行方向相同方式的步进驱动，最后一个旋转驱动装置2c完成步进驱动后可继续从第一个旋转驱动装置2a循环，以此来实现步进电机在一个方向任意角度的旋转；
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，本发明中未明确的部分属于本领域的公知技术。
Claims (6)
1.一种超磁致伸缩步进电机，其特征在于：包括输出轴，由转子、超磁致伸缩驱动器、连杆、定子和离合器组成的旋转驱动装置，轴承，壳体和端盖；旋转装置中转子和定子同轴，转子和离合器为同轴固定连接，超磁致伸缩驱动器可输出长度方向的伸缩运动，超磁致伸缩驱动器一端和定子固定连接、另一端和连杆一端形成转动副连接，连杆另一端和转子以转动副形式连接，连杆和转子连接点所对应的转子半径与连杆之间所成的角度为钝角，连杆和超磁致伸缩驱动器之间所成的角度也为钝角，磁致伸缩器的长度方向和其与定子连接点所在半径的方向相同，多个超磁致伸缩驱动器和连杆关于转子中心对称均匀分布；旋转驱动装置的定子和壳体之间为固定连接，旋转驱动装置的转子和输出轴为同轴关系，旋转驱动装置的离合器和输出轴为同轴关系，离合器在抱紧状态下旋转驱动装置和输出轴之间为过盈配合，离合器在松开状态下输出轴和旋转驱动装置为间隙配合；输出轴通过轴承和壳体之间形成转动副连接，端盖和壳体之间为可拆卸固定连接。
2.如权利要求1所述的一种超磁致伸缩步进电机，其特征在于：所述超磁致伸缩驱动器由超磁致伸缩棒和驱动线圈组成，在驱动线圈产生的变化磁场作用下，超磁致伸缩棒会产生沿长度方向的伸缩运动。
3. 如权利要求1所述的一种超磁致伸缩步进电机，其特征在于：所述转子为中心对称的圆盘状，也可以为减重处理后的蜂窝状或轮辐状。
4.如权利要求1所述的一种超磁致伸缩步进电机，其特征在于：所述连杆和超磁致伸缩驱动器之间以及连杆和转子之间的转动副连接可以由轴承实现，也可以以柔性铰链的方式实现。
5.如权利要求1所述的一种超磁致伸缩步进电机，其特征在于：所述输出轴在轴向固定，只存在绕其中心轴线转动的自由度。
6. 如权利要求1所述的一种超磁致伸缩步进电机，其特征在于：所述壳体为上端开口的空心圆柱体形状，端盖和壳体上端开口通过螺纹连接固定，以将步进电机内部的旋转驱动装置封装起来，增强其防护可靠性。
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