CN107659208B - 二维线性动铁式微角位移电磁作动装置及其作动方法 - Google Patents
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Abstract
一种二维线性动铁式微角位移电磁作动装置及其作动方法，该作动装置包括位于X轴并关于Y轴对称的第一电磁驱动机构和第三电磁驱动机构，位于Y轴并关于X轴对称的第二电磁驱动机构和第四电磁驱动机构，与微角摆平台的下表面固定连接的弹性元件和带有双轴柔性铰链的支撑结构，外部固定构件，与底部导磁体四周固定连接的永磁铁；四个电磁驱动机构的结构组成和规格相同，均由线圈和C型磁芯组成；本发明装置采用动铁式电磁作动结构对称式设计，厚度低，作动输出力大，角分辨率高，电磁作动力与控制电流线性相关；且能在低功耗下实现较大的双轴偏转角度；而且本发明采用了双轴柔性铰链支撑结构和弹性元件，既提供了机构确定的旋转中心；又增加了整个机构的约束刚度，提高了装置的动态特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种二维微角位移电磁作动装置，具体涉及一种二维线性动铁式微角位移电磁作动装置及其作动方法。
背景技术
近年来，随着微电子工程、航天工程、生物工程等领域的迅速发展，微角位移二维快速作动装置在天文望远镜、图像稳定控制、航天器通讯精确指向以及卫星成像等方面得到了广泛应用，并发挥着日益重要的作用。而目前的压电驱动型二维微角位移作动装置虽然谐振频率高，但存在驱动电压高、作动行程小等不足；而基于音圈电机驱动的二维微角位移作动装置虽可在低功耗下实现高的作动行程，但其带宽低、输出力小，实际上最大输出力往往由于高电流下引起的线圈发热问题而被限制；且动圈式的音圈电机在工作时对机构的动态特性也存在一定的影响。而由于其应用环境的特殊性，往往还要求作动装置厚度尽可能小，并且在较低的驱动电流下具有较大的角行程。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种二维线性动铁式微角位移电磁作动装置及其作动方法，该作动装置采用动铁式结构对称性设计，在具有体积小、响应快、高的位移分辨率等特点的同时，还具备作动输出力高、能在低电流下实现较大角行程以及输出力与控制电流线性相关的特点；并且通过方形弹性元件和柔性支撑结构既增加了整个装置的约束刚度，提高了动态特性，又提供了作动机构确定的旋转中心，提高了作动装置的控制可行性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种二维线性动铁式微角位移电磁作动装置，包括位于X轴并关于Y轴对称的第一电磁驱动机构1和第三电磁驱动机构3，位于Y轴并关于X轴对称的第二电磁驱动机构2和第四电磁驱动机构4，外部固定构件5，微角摆平台6；其特征在于：还包括依次与微角摆平台6的下表面固定连接的方形弹性元件7、带有双轴柔性铰链的支撑结构10、底部导磁体9以及与底部导磁体9的四周固定连接的条形永磁铁8；所述X轴与Y轴相互垂直并位于同一平面内；所述第一电磁驱动机构1包括第一C型磁芯1-2以及绕制在第一C型磁芯1-2上的第一线圈1-1，第一C型磁芯1-2的缺口位置处上下端面与微角摆平台6一个端部上下表面保持相同的工作气隙；所述第二电磁驱动机构2、第三电磁驱动机构3、第四电磁驱动机构4的结构组成和规格均与第一电磁驱动机构1相同，并在底部内侧分别与条形永磁铁8的外侧磁极一端固定相接。
所述微角摆平台6、底部导磁体9、和第一C型磁芯1-2均由具有高磁导率的导磁材料制备；所述外部固定构件5、方形弹性元件7和支撑结构10均采用非导磁材料制备。
所述外部固定构件5由四角带有连接孔的外壳5-1以及设置在外壳5-1上的带有连接孔的内凸台5-2组成；所述第一电磁驱动机构1、第二电磁驱动机构2、第三电磁驱动机构3和第四电磁驱动机构4均通过螺钉和连接孔与外部固定构件5的外壳5-1固定连接；所述方形弹性元件7的四个角均通过螺钉和连接孔与外部固定构件5的内凸台5-2固定连接。
上述所述的一种二维线性动铁式微角位移电磁作动装置的作动方法，不工作时，永磁铁8在第一电磁驱动机构1和第三电磁驱动机构3的相应工作气隙内产生一个偏置磁场；工作时，当对第一电磁驱动机构1和第三电磁驱动机构3的第一线圈1-1和第三线圈3-1通电时，第一线圈1-1和第三线圈3-1分别产生逆时针和顺时针流向的磁力线，使得第一电磁驱动机构1的上部气隙磁场减弱，下部气隙磁场增强，对微角摆平台6的X轴正向端部产生向下的电磁驱动力；同时使得第三电磁驱动机构3的上部气隙磁场增强，下部气隙磁场减弱，对微角摆平台6的X轴负向端部产生向上的电磁驱动力；于是对微角摆平台6产生一个偏转力矩，从而推动微角摆平台6以支撑结构10的双轴柔性铰链为中心产生绕Y轴偏转角；基于相同的作动方法，通过第二电磁驱动机构2和第四电磁驱动机构4能够推动微角摆平台6以支撑结构10的双轴柔性铰链为中心产生绕X轴偏转角。
本发明与现有技术相比较，具有如下优点：
1)本发明装置采用动铁式电磁作动结构设计，作动输出力大，避免了音圈电机的动圈式运动缺陷；并且本发明采用完全对称式机构设计，电磁作动力与控制电流线性相关，利用机构控制。
2)相比于压电陶瓷驱动型微角位移作动机构，本发明装置在具有低厚度、响应快、高的位移分辨率的同时，还能在低功耗下实现较大的双轴偏转角度。
3)本发明装置采用了双轴柔性铰链支撑结构和弹性元件，既在保证机构高的位移分辨率情况下提供了作动装置确定的旋转中心。又增加了整个机构的约束刚度，提高了装置的动态特性。
附图说明
图1为本发明装置立体结构示意图。
图2为本发明装置内部机构组成示意图。
图3为外部固定构件示意图。
图4为Y轴角位移电磁作动机构示意图。
图5为Y轴角位移电磁作动原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种二维线性动铁式微角位移电磁作动装置，包括位于X轴并关于Y轴对称的第一电磁驱动机构1和第三电磁驱动机构3，位于Y轴并关于X轴对称的第二电磁驱动机构2和第四电磁驱动机构4，外部固定构件5，微角摆平台6；其特征在于：还包括依次与微角摆平台6的下表面固定连接的方形弹性元件7、带有双轴柔性铰链的支撑结构10、底部导磁体9以及与底部导磁体9的四周固定连接的条形永磁铁8；所述X轴与Y轴相互垂直并位于同一平面内；所述第一电磁驱动机构1包括第一C型磁芯1-2以及绕制在第一C型磁芯1-2上的第一线圈1-1，第一C型磁芯1-2的缺口位置处上下端面与微角摆平台6一个端部上下表面保持相同的工作气隙；所述第二电磁驱动机构2、第三电磁驱动机构3、第四电磁驱动机构4的结构组成和规格均与第一电磁驱动机构1相同，并在底部内侧分别与条形永磁铁8的外侧磁极一端固定相接。
作为本发明的优选实施方式，所述微角摆平台6、底部导磁体9、和第一C型磁芯1-2均由具有高磁导率的导磁材料制备；所述外部固定构件5、方形弹性元件7和支撑结构10均采用非导磁材料制备。
作为本发明的优选实施方式，如图3所示，所述外部固定构件5由四角带有连接孔的外壳5-1以及设置在外壳5-1上的带有连接孔的内凸台5-2组成；所述第一电磁驱动机构1、第二电磁驱动机构2、第三电磁驱动机构3和第四电磁驱动机构4均通过螺钉和连接孔与外部固定构件5的外壳5-1固定连接；所述方形弹性元件7的四个角均通过螺钉和连接孔与外部固定构件5的内凸台5-2固定连接。
如图4和图5所示，本发明二维微角位移电磁作动装置的作动原理为：不工作时，永磁铁8在第一电磁驱动机构1和第三电磁驱动机构3的相应工作气隙内产生一个偏置磁场；工作时，当对第一电磁驱动机构1和第三电磁驱动机构3的第一线圈1-1和第三线圈3-1通电时，第一线圈1-1和第三线圈3-1分别可以产生逆时针和顺时针流向的磁力线，使得第一电磁驱动机构1的上部气隙磁场减弱，下部气隙磁场增强，对微角摆平台6的X轴正向端部产生向下的电磁驱动力；同时使得第三电磁驱动机构3的上部气隙磁场增强，下部气隙磁场减弱，对微角摆平台6的X轴负向端部产生向上的电磁驱动力；于是对微角摆平台6产生一个偏转力矩，从而推动微角摆平台6以支撑结构10的双轴柔性铰链为中心产生绕Y轴偏转角；基于相同的作动方法，通过第二电磁驱动机构2和第四电磁驱动机构4能够推动微角摆平台6以支撑结构10的双轴柔性铰链为中心产生绕X轴偏转角。
因此，本发明装置采用动铁式电磁作动结构对称式设计，结构厚度较低，作动输出力大，电磁作动力与控制电流线性相关，便于机构控制；且能在低功耗下实现较大的双轴偏转角度。另外，本发明装置采用了双轴柔性铰链支撑结构和弹性元件，既提供了作动装置确定的旋转中心；又增加了整个机构的约束刚度，提高了装置的动态特性。
Claims (4)
1.一种二维线性动铁式微角位移电磁作动装置，包括位于X轴并关于Y轴对称的第一电磁驱动机构(1)和第三电磁驱动机构(3)，位于Y轴并关于X轴对称的第二电磁驱动机构(2)和第四电磁驱动机构(4)，外部固定构件(5)，微角摆平台(6)；其特征在于：还包括依次与微角摆平台(6)的下表面固定连接的方形弹性元件(7)、带有双轴柔性铰链的支撑结构(10)、底部导磁体(9)以及与底部导磁体(9)的四周固定连接的条形永磁铁(8)；所述X轴与Y轴相互垂直并位于同一平面内；所述第一电磁驱动机构(1)包括第一C型磁芯(1-2)以及绕制在第一C型磁芯(1-2)上的第一线圈(1-1)，第一C型磁芯(1-2)的缺口位置处上下端面与微角摆平台(6)一个端部上下表面保持相同的工作气隙；所述第二电磁驱动机构(2)、第三电磁驱动机构(3)、第四电磁驱动机构(4)的结构组成和规格均与第一电磁驱动机构(1)相同，并在底部内侧分别与条形永磁铁(8)的外侧磁极一端固定相接。
2.根据权利要求1所述的一种二维线性动铁式微角位移电磁作动装置，其特征在于：所述微角摆平台(6)、底部导磁体(9)、和第一C型磁芯(1-2)均由具有高磁导率的导磁材料制备；所述外部固定构件(5)、方形弹性元件(7)和支撑结构(10)均采用非导磁材料制备。
3.根据权利要求1所述的一种二维线性动铁式微角位移电磁作动装置，其特征在于：所述外部固定构件(5)由四角带有连接孔的外壳(5-1)以及设置在外壳(5-1)上的带有连接孔的内凸台(5-2)组成；所述第一电磁驱动机构(1)、第二电磁驱动机构(2)、第三电磁驱动机构(3)和第四电磁驱动机构(4)均通过螺钉和连接孔与外部固定构件(5)的外壳(5-1)固定连接；所述方形弹性元件(7)的四个角均通过螺钉和连接孔与外部固定构件(5)的内凸台(5-2)固定连接。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种二维线性动铁式微角位移电磁作动装置的作动方法，其特征在于：不工作时，永磁铁(8)在第一电磁驱动机构(1)和第三电磁驱动机构(3)的相应工作气隙内产生一个偏置磁场；工作时，当对第一电磁驱动机构(1)和第三电磁驱动机构(3)的第一线圈(1-1)和第三线圈(3-1)通电时，第一线圈(1-1)和第三线圈(3-1)分别产生逆时针和顺时针流向的磁力线，使得第一电磁驱动机构(1)的上部气隙磁场减弱，下部气隙磁场增强，对微角摆平台(6)的X轴正向端部产生向下的电磁驱动力；同时使得第三电磁驱动机构(3)的上部气隙磁场增强，下部气隙磁场减弱，对微角摆平台(6)的X轴负向端部产生向上的电磁驱动力，于是对微角摆平台(6)产生一个偏转力矩，从而推动微角摆平台(6)以支撑结构(10)的双轴柔性铰链为中心产生绕Y轴偏转角；基于相同的作动方法，通过第二电磁驱动机构(2)和第四电磁驱动机构(4)能够推动微角摆平台(6)以支撑结构(10)的双轴柔性铰链为中心产生绕X轴偏转角。
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