CN104953786B - 基于铰链四杆机构的超磁致伸缩步进电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于铰链四杆机构的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、杠杆、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、杠杆、连杆、定子和离合器组成的旋转驱动装置，利用壳体、杠杆、连杆和转子组成的铰链四杆机构将超磁致伸缩驱动器直线位移输出放大后驱动转子旋转，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，本发明具有输出转矩大、效率高、运行平稳、噪音低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

基于铰链四杆机构的超磁致伸缩步进电机

技术领域

本发明涉及一种精密机械驱动领域的步进电机，具体的说是一种基于铰链四杆机构的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基于铰链四杆机构的超磁致伸缩步进电机，该步进电机具有输出转矩大、效率高、运行平稳、噪音小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：一种基于铰链四杆机构的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、杠杆、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、另一端和杠杆一端形成转动副连接，杠杆和定子之间通过定子内圈凸出的支架形成转动副连接，杠杆支点到与超磁致伸缩驱动器连接一端的距离小于到与连杆连接一端的距离，杠杆另一端和连杆形成转动副连接，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，连杆和杠杆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、杠杆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，也可以为减重处理后的蜂窝状或轮辐状。

所述连杆和杠杆之间、连杆和转子之间、杠杆和超磁致伸缩驱动器之间以及杠杆和定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。

所述起位移放大作用的杠杆可以通过调节支点的位置来调节杠杆的位移放大系数，同时还可以通过调节连杆的长度和转子外径的大小来调节步进角度的大小。

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。

本发明基于铰链四杆机构的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，从而在杠杆的位移放大作用下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。

本发明基于铰链四杆机构的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、超磁致伸缩驱动器、杠杆、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、杠杆和连杆同时作用大大提高了电机的输出转矩；利用壳体、杠杆、连杆和转子组成的铰链四杆机构将超磁致伸缩驱动器直线位移输出放大后驱动转子产生扭矩的方法使得步进电机每步的转动角度更大，且不存在滑动摩擦导致的过热问题，效率更高；超磁致伸缩驱动器、杠杆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；通过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为本发明基于铰链四杆机构的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 为本发明基于铰链四杆机构的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基于铰链四杆机构的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所示分别为本发明基于铰链四杆机构的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，基于铰链四杆机构的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、杠杆204，定子205和离合器206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205同轴，转子201和离合器206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205固定连接、另一端和杠杆204一端形成转动副连接，杠杆204和定子205之间通过定子205内圈凸出的支架形成转动副连接，杠杆支点到与超磁致伸缩驱动器202连接一端的距离小于到与连杆203连接一端的距离，杠杆204另一端和连杆203形成转动副连接，连杆203另一端和转子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和杠杆204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205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205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206和输出轴1为同轴关系，离合器206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206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和杠杆204之间、连杆203和转子201之间、杠杆204和超磁致伸缩驱动器202之间以及杠杆204和定子205之间的转动副连接以滑动轴承实现。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，从而在杠杆204的位移放大作用下推动连杆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206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206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 (5)

1.一种基于铰链四杆机构的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、杠杆、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、另一端和杠杆一端形成转动副连接，杠杆和定子之间通过定子内圈凸出的支架形成转动副连接，杠杆支点到与超磁致伸缩驱动器连接一端的距离小于到与连杆连接一端的距离，杠杆另一端和连杆形成转动副连接，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，连杆和杠杆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、杠杆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，连杆和杠杆之间、连杆和转子之间、杠杆和超磁致伸缩驱动器之间以及杠杆和定子之间的转动副连接以滑动轴承实现，当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变形，从而在杠杆的位移放大作用下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形变达到最大时，断开第一个旋转驱动装置的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继续从第一个旋转驱动装置循环，以此来实现步进电机在一个方向任意角度的旋转。

2.基于权利要求1所述的一种基于铰链四杆机构的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，或减重处理后的蜂窝状或轮辐状。

3.基于权利要求1所述的一种基于铰链四杆机构的超磁致伸缩步进电机，其特征在于：所述连杆和杠杆之间、连杆和转子之间、杠杆和超磁致伸缩驱动器之间以及杠杆和定子之间的转动副连接由轴承实现，或以柔性铰链的方式实现。

4.基于权利要求1所述的一种基于铰链四杆机构的超磁致伸缩步进电机，其特征在于：所述起位移放大作用的杠杆通过调节支点的位置来调节杠杆的位移放大系数，同时通过调节连杆的长度和转子外径的大小来调节步进角度的大小。

5.基于权利要求1所述的一种基于铰链四杆机构的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。