CN105337529A - 一种音圈-压电混合式大位移作动器 - Google Patents
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Abstract
一种音圈-压电混合式大位移作动器，该作动器由导磁体，环形永磁铁，中空铁芯，拉杆，线圈，锁止端，盖板，压电放大机构，限位块，螺钉组成；实现大位移作动的过程如下：导磁体和镶嵌于其内的环形永磁铁间产生均匀气隙磁场，线圈位于磁场中，一端与拉杆连接，拉杆套在中空铁芯内部，中空铁芯紧贴环形永磁铁，与导磁体底部贯通连接；导磁体固定于锁止端；压电放大机构由压电堆和三级位移放大机构组成，套在拉杆细端，三级位移放大机构的第三菱形环短轴齿槽与锁止端内壁齿槽啮合锁止；对压电堆通电，第三菱形环短轴缩短解除锁止；再对线圈施加定量、定方向的电流，产生安培力拉动拉杆；若对压电堆断电，则再次锁止，实现位置锁止的大位移和力输出。
Description
技术领域
本发明涉及作动器技术领域，具体涉及一种音圈-压电混合式大位移作动器。
背景技术
由物理学可知，通电导线在磁场中会受到安培力的作用，音圈作动器应用这一现象将电能直接转化为机械能输出位移和力。音圈作动器具有体积小，总量轻，加速度高，响应快和力均匀等优良性能，广泛应用于振动控制，仪器定位等领域。
压电材料晶体上施加交变电场能够引起晶体的机械变形，压电作动器具有分辨率高、输出力大、响应快、功耗小、结构轻等优点。因此，基于压电堆的各类作动器已被广泛地应用于机械、船舶、航空航天等领域，成为了目前应用最广泛的智能驱动器件之一。
但是，由于音圈电机长时间工作易发热，位置锁止结构复杂；压电堆输出微位移，一般通过杠杆结构或设置多个作动器级联输出。而要求大位移输出，同时具有掉电锁止，散热，轻巧等功能时，传统音圈或压电作动器等难以满足上述所有条件。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种音圈-压电混合式大位移作动器，具有输出位移大、掉电锁止，易于散热，结构轻巧等特点，实现大行程作动和位置锁止的功能。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种音圈-压电混合式大位移作动器，包括带有外部散热片的导磁体4，导磁体4通过螺钉10固定于锁止端6，锁止端6另一端外固定有盖板7；导磁体4和中空铁芯2底部贯通连接，导磁体4和中空铁芯2之间镶嵌环形永磁铁3；线圈5位于导磁体4和环形永磁铁3之间的均匀气隙磁场中，拉杆1粗端套于中空铁芯2内部且粗端端部与线圈5一端连接，细端伸入锁止端6内；压电放大机构9套在拉杆1细端，限位块8与拉杆1末端连接；所述压电放大机构9由压电堆11和设置在压电堆11外部的三级位移放大机构12组成，所述三级位移放大机构12包括第一菱形环13，布置在第一菱形环13外并与第一菱形环13垂直的第二菱形环14，所述第二菱形环14的长轴与第一菱形环13的短轴同轴，布置在第二菱形环14外并与第二菱形环14垂直的第三菱形环15，所述第三菱形环15的长轴与第二菱形环14的短轴同轴；所述压电堆11放置于第一菱形环13长轴间，未通电时，所述第三菱形环15短轴两端微型齿槽与锁止端6内壁齿槽啮合锁止。
所述三级位移放大机构12每级位移放大n倍，三级放大n3倍。
所述拉杆1为中空拉杆。
所述音圈-压电混合式大位移作动器的作动方式，首先，对压电放大机构9中的压电堆11通电，压电堆11接收驱动电压后伸长，通过三级位移放大机构12放大位移，第三菱形环15的短轴收缩，解除锁止；再对线圈5施加电流，产生安培力输出大位移和拉力拉动拉杆1；若保持输出位移，则对压电堆11断电，压电堆11恢复原长，第三菱形环15的短轴恢复原长锁止于锁止端6。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)相比于压电型作动器，音圈-压电混合式作动器可以输出大位移。
2)相比于传统音圈作动器，音圈-压电混合式作动器在输出大位移范围内，通过压电材料实现任意位置锁止。
3)作动器的压电堆11未通电时，拉杆1通过压电放大机构9锁止于锁止端，即有掉电锁止的特点。
4)由于压电材料输出位移很小，且输出分辨率高，通过压电放大机构9能够实现立方倍的放大输出。
5)由于该作动器导磁体4外有散热片，与现有音圈作动器相比，该作动器具有良好的散热特性。
6)作动器的铁芯采用中空铁芯2，拉杆1也为空心拉杆，可以有效减轻结构的重量。
总之，本发明能够避免传统作动器位移小、无锁止或带电锁止，易发热，重量大等缺点，具有输出位移大、任意位置锁止、可散热，质量轻等优点。
附图说明
图1为本发明结构剖视图。
图2为本发明压电放大机构爆炸视图。
图3为本发明立体结构图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1、图2和图3所示，本发明一种音圈-压电混合式大位移作动器，包括带有外部散热片的导磁体4，导磁体4通过螺钉10固定于锁止端6，锁止端6另一端外固定有盖板7；导磁体4和中空铁芯2底部贯通连接，导磁体4和中空铁芯2之间镶嵌环形永磁铁3；线圈5位于导磁体4和环形永磁铁3之间的均匀气隙磁场中，拉杆1粗端套于中空铁芯2内部且粗端端部与线圈5一端连接，细端伸入锁止端6内；压电放大机构9套在拉杆1细端，限位块8与拉杆1末端连接；所述压电放大机构9由压电堆11和设置在压电堆11外部的三级位移放大机构12组成，所述三级位移放大机构12包括第一菱形环13，布置在第一菱形环13外并与第一菱形环13垂直的第二菱形环14，所述第二菱形环14的长轴与第一菱形环13的短轴同轴，布置在第二菱形环14外并与第二菱形环14垂直的第三菱形环15，所述第三菱形环15的长轴与第二菱形环14的短轴同轴；所述压电堆11放置于第一菱形环13长轴间，未通电时，所述第三菱形环15短轴两端微型齿槽与锁止端6内壁齿槽啮合锁止。
作为本发明的优选实施方式，在有尺寸要求和重量限制时，压电堆11选择变形量大的压电材料；压电三级位移放大机构12、拉杆1、锁止端6都采用刚度大的轻质材料。并通过力学，热学和电磁学分析优化结构，减小尺寸。
作为本发明的优选实施方式，拉杆1为中空拉杆，有效减轻结构的重量。
本发明音圈-压电混合式大位移作动器的作动方式，开始时刻，压电堆11和线圈5均未通电，则压电放大结构9锁止于锁止端6，线圈5与拉杆1处于初始位置。若要作动，首先，对压电放大机构9中的压电堆11通电，压电堆11接收驱动电压后伸长，第一菱形环13长轴伸长，短轴缩短，第二菱形环14长轴缩短，短轴伸长，第三菱形环15的长轴伸长，短轴缩短，则两端微型齿槽与锁止端6内壁齿槽解除啮合；然后，再对线圈5施加一定量、一定方向的电流，线圈5在导磁体4和环形永磁铁3之间的均匀气隙磁场中产生安培力，进而拉动线圈5和拉杆1一起输出大位移和拉力；若要保持输出大位移在某个位置，则在线圈5通电的情况下，对压电堆11断电，压电堆11恢复原长，通过三级位移放大机构12放大位移，第三菱形环15的短轴恢复原长(变长)锁止于锁止端6，实现位置锁止的大位移和力输出；当作动器长时间工作时，导磁体4外部的散热片能起到良好的散热作用。
Claims (4)
1.一种音圈-压电混合式大位移作动器，其特征在于：包括带有外部散热片的导磁体(4)，导磁体(4)通过螺钉(10)固定于锁止端(6)，锁止端(6)另一端外固定有盖板(7)；导磁体(4)和中空铁芯(2)底部贯通连接，导磁体(4)和中空铁芯(2)之间镶嵌环形永磁铁(3)；线圈(5)位于导磁体(4)和环形永磁铁(3)之间的均匀气隙磁场中，拉杆(1)粗端套于中空铁芯(2)内部且粗端端部与线圈(5)一端连接，细端伸入锁止端(6)内；压电放大机构(9)套在拉杆(1)细端，限位块(8)与拉杆(1)末端连接；所述压电放大机构(9)由压电堆(11)和设置在压电堆(11)外部的三级位移放大机构(12)组成，所述三级位移放大机构(12)包括第一菱形环(13)，布置在第一菱形环(13)外并与第一菱形环(13)垂直的第二菱形环(14)，所述第二菱形环(14)的长轴与第一菱形环(13)的短轴同轴，布置在第二菱形环(14)外并与第二菱形环(14)垂直的第三菱形环(15)，所述第三菱形环(15)的长轴与第二菱形环(14)的短轴同轴；所述压电堆(11)放置于第一菱形环(13)长轴间，未通电时，所述第三菱形环(15)短轴两端微型齿槽与锁止端(6)内壁齿槽啮合锁止。
2.根据权利要求1所述音圈-压电混合式大位移作动器，其特征在于：所述三级位移放大机构(12)每级位移放大n倍，三级放大n3倍。
3.根据权利要求1所述音圈-压电混合式大位移作动器，其特征在于：所述拉杆(1)为中空拉杆。
4.权利要求1所述音圈-压电混合式大位移作动器的作动方式，其特征在于：首先，对压电放大机构(9)中的压电堆(11)通电，压电堆(11)接收驱动电压后伸长，通过三级位移放大机构(12)放大位移，第三菱形环(15)的短轴收缩，解除锁止；再对线圈(5)施加电流，产生安培力输出大位移和拉力拉动拉杆(1)；若保持输出位移，则对压电堆(11)断电，压电堆(11)恢复原长，第三菱形环(15)的短轴恢复原长锁止于锁止端(6)。
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