CN105391334B - 一种磁‑压电双向步进式大位移作动器及其作动方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁‑压电双向步进式大位移作动器及其作动方法，作动器由外壳，外部导磁体，内部导磁体，永磁铁，线圈，弹簧，压电放大机构组成；实现双向步进式作动过程如下：永磁铁两端的内、外部导磁体间产生均匀环形磁场，线圈位于磁场中，外端与第一压电放大机构连接，内部与内部导磁体通过弹簧连接；外部导磁体与第二压电放大机构连接；压电放大机构未通电时与外壳内壁锁止；对第一压电堆通电，解除锁止；再对线圈施加电流，产生安培力推动第一压电放大机构移动；对第一压电堆断电锁止，对第二压电堆通电解除锁止，弹簧恢复力拉动线圈和第二压电放大机构移动，实现单向移动；若对线圈施加相反方向的电流，则反向移动；以此实现双向步进式输出大位移和力。
Description
技术领域
本发明涉及作动器技术领域，具体涉及一种磁-压电双向步进式大位移作动器及其作动方法。
背景技术
由电磁场理论可知，通电导线在磁场中会受到安培力的作用，磁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。磁作动器具有行程大，响应快，力均匀和加速度高等优良性能，应用于结构减震，设备定位等领域。
而基于逆压电效应制作的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，压电材料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，成为目前应用最广泛的智能驱动器件之一。
但是，由于磁作动器输出位移大，位置控制结构复杂；压电材料输出位移为微位移。若要求大位移双向输出力，同时具有位置控制，体积小，质量轻等功能时，传统磁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磁-压电双向步进式大位移作动器及其作动方法，具有输出位移大、掉电锁止，结构轻巧等特点，实现双向步进式作动功能。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种磁-压电双向步进式大位移作动器，包括永磁铁5，分别位于永磁铁5两端的外部导磁体2和内部导磁体4，内部导磁体4位于外部导磁体2内，外部导磁体2和内部导磁体4间产生均匀环形磁场；线圈3位于磁场中即位于外部导磁体2和内部导磁体4的间隙中，其外端与第一压电放大机构6连接，内部与内部导磁体4通过弹簧7连接；外部导磁体2另一端与第二压电放大机构8连接；所述外部导磁体2、第一压电放大机构6和第二压电放大机构8的外周圈被外壳1包覆，外部导磁体2置于外壳1内壁纵向凹槽中；所述第一压电放大机构6和第二压电放大机构8均由压电堆9和设置在压电堆9外部的三级立体式位移放大机构10组成，所述三级立体式位移放大机构10包括第一菱形环11，布置在第一菱形环11外并与第一菱形环11垂直的第二菱形环12，所述第二菱形环12的长轴与第一菱形环11的短轴同轴，布置在第二菱形环12外并与第二菱形环12垂直的第三菱形环13，所述第三菱形环13的长轴与第二菱形环12的短轴同轴；所述压电堆9放置于第一菱形环11长轴间；未通电时，所述第三菱形环13短轴两端微型齿槽与外壳1内壁齿槽啮合锁止。
所述三级立体式位移放大机构10每级位移放大n倍，三级放大n3倍。
所述线圈3的骨架采用环氧树脂材料。
所述作动器整体呈圆柱状。
所述磁-压电双向步进式大位移作动器的作动方法，未通电时，第一压电放大机构6和第二压电放大机构8与外壳1内壁锁止；开始作动时，首先对第一压电放大机构6中的压电堆9通电，压电堆9接收驱动电压后伸长，第一压电放大机构6与外壳1内壁解除锁止；再对线圈3施加电流，产生安培力推动第一压电放大机构6移动；然后，对第一压电放大机构6中的压电堆9断电，则锁止，再对第二压电放大机构8中的压电堆9通电，则解除锁止，弹簧7恢复力作用下，第二压电放大机构8同向移动，实现单向移动；最后，对第二压电放大机构8中的压电堆9断电，则锁止，步进位移保持；若解除锁止的顺序相反，并对线圈3施加相反方向的电流，则反向移动；持续通、断电，以此实现双向步进式输出大位移和力。
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，磁-压电双向步进式大位移作动器可以输出双向大位移。
2)相比于传统音圈作动器，磁-压电双向步进式大位移作动器在输出双向大位移范围内，通过压电材料实现任意位置锁止。
3)作动器的压电堆9未通电时，第一压电放大机构6和第二压电放大机构8锁止于外壳，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，通过三级立体式位移放大机构10能够实现立方倍的放大输出。
5)作动器的线圈3采用环氧树脂材料加工而成，既可以有效减轻结构的重量，又能消除电涡流影响。
总之，本发明能够避免传统步进式作动器位移小、无锁止或带电锁止，，位置控制复杂等缺点，具有输出双向位移大、掉电锁止，结构轻巧等优点。
附图说明
图1为本发明作动器的结构剖视图。
图2为本发明压电放大机构立体结构图。
图3为本发明作动器的立体结构图。
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，本实施例一种磁-压电双向步进式大位移作动器，包括圆柱形的外壳1，外壳1内壁纵向凹槽放置外部导磁体2；永磁铁5两端的外部导磁体2和内部导磁体4间产生均匀环形磁场；线圈3位于磁场中，外端与第一压电放大机构6连接，内部与内部导磁体4通过弹簧7连接；外部导磁体2另一端与第二压电放大机构8连接；所述第一压电放大机构6和第二压电放大机构8均由压电堆9和设置在压电堆9外部的三级立体式位移放大机构10组成，所述三级立体式位移放大机构10包括第一菱形环11，布置在第一菱形环11外并与第一菱形环11垂直的第二菱形环12，所述第二菱形环12的长轴与第一菱形环11的短轴同轴，布置在第二菱形环12外并与第二菱形环12垂直的第三菱形环13，所述第三菱形环13的长轴与第二菱形环12的短轴同轴；所述压电堆9放置于第一菱形环11长轴间；所述第一压电放大机构6和第二压电放大机构8的两对称轴分别与外壳1横截面的纵向和横向对称轴重合，未通电时，所述第三菱形环13短轴两端微型齿槽与外壳1内壁横向齿槽啮合锁止。
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9选择变形量大的压电材料；三级立体式位移放大机构10、外壳1都采用刚度大的轻质材料。并通过力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，线圈3骨架采用环氧树脂材料，既能有效减轻结构的重量，又能消除电涡流影响。
本发明磁-压电双向步进式大位移作动器的双向步进式作动方法，未通电时，第一压电放大机构6和第二压电放大机构8与外壳1内壁锁止；开始作动时，首先对第一压电放大机构6中的压电堆9通电，压电堆9接收驱动电压后伸长，第一压电放大机构6与外壳1内壁解除锁止；再对线圈3施加电流，产生安培力推动线圈3和第一压电放大机构6移动，弹簧7拉伸；然后，对第一压电放大机构6中的压电堆9断电，则锁止，再对第二压电放大机构8中的压电堆9通电，则解除锁止，弹簧7恢复原长，拉动内部导磁体4，永磁铁5，外部导磁体2和第二压电放大机构8同向移动，实现单向步进式移动；最后，对第二压电放大机构8中的压电堆9断电，则锁止，步进位移保持，输出的大位移为线圈3在安培力作用下的移动距离；若解除锁止的顺序相反，并对线圈3施加相反方向的电流，则弹簧7压缩，推动内部导磁体4反向步进式移动；对压电堆9持续有序地通、断电，对线圈3施加不同方向的电流，以此实现双向步进式输出大位移和力。
Claims (5)
1.一种磁-压电双向步进式大位移作动器，其特征在于：包括永磁铁(5)，分别位于永磁铁(5)两端的外部导磁体(2)和内部导磁体(4)，内部导磁体(4)位于外部导磁体(2)内，外部导磁体(2)和内部导磁体(4)间产生均匀环形磁场；线圈(3)位于磁场中即位于外部导磁体(2)和内部导磁体(4)的间隙中，其外端与第一压电放大机构(6)连接，内部与内部导磁体(4)通过弹簧(7)连接；外部导磁体(2)另一端与第二压电放大机构(8)连接；所述外部导磁体(2)、第一压电放大机构(6)和第二压电放大机构(8)的外周圈被外壳(1)包覆，外部导磁体(2)置于外壳(1)内壁纵向凹槽中；所述第一压电放大机构(6)和第二压电放大机构(8)均由压电堆(9)和设置在压电堆(9)外部的三级立体式位移放大机构(10)组成，所述三级立体式位移放大机构(10)包括第一菱形环(11)，布置在第一菱形环(11)外并与第一菱形环(11)垂直的第二菱形环(12)，所述第二菱形环(12)的长轴与第一菱形环(11)的短轴同轴，布置在第二菱形环(12)外并与第二菱形环(12)垂直的第三菱形环(13)，所述第三菱形环(13)的长轴与第二菱形环(12)的短轴同轴；所述压电堆(9)放置于第一菱形环(11)长轴间；未通电时，所述第三菱形环(13)短轴两端微型齿槽与外壳(1)内壁齿槽啮合锁止。
2.根据权利要求1所述磁-压电双向步进式大位移作动器，其特征在于：所述三级立体式位移放大机构(10)每级位移放大n倍，三级放大n3倍。
3.根据权利要求1所述磁-压电双向步进式大位移作动器，其特征在于：所述线圈(3)的骨架采用环氧树脂材料。
4.根据权利要求1所述磁-压电双向步进式大位移作动器，其特征在于：所述作动器整体呈圆柱状。
5.权利要求1所述磁-压电双向步进式大位移作动器的作动方法，其特征在于：未通电时，第一压电放大机构(6)和第二压电放大机构(8)与外壳(1)内壁锁止；开始作动时，首先对第一压电放大机构(6)中的压电堆(9)通电，压电堆(9)接收驱动电压后伸长，第一压电放大机构(6)与外壳(1)内壁解除锁止；再对线圈(3)施加电流，产生安培力推动第一压电放大机构(6)移动；然后，对第一压电放大机构(6)中的压电堆(9)断电，则锁止，再对第二压电放大机构(8)中的压电堆(9)通电，则解除锁止，弹簧(7)恢复力作用下，第二压电放大机构(8)同向移动，实现单向移动；最后，对第二压电放大机构(8)中的压电堆(9)断电，则锁止，步进位移保持；若解除锁止的顺序相反，并对线圈(3)施加相反方向的电流，则反向移动；持续通、断电，以此实现双向步进式输出大位移和力。
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