CN108336882B - 一种基于电磁自激振动原理的梁式微驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电磁自激振动原理的梁式微驱动器，该机构采用悬臂梁作为位移输出部件；不通电时，悬臂梁中部固定的永磁铁受到电磁铁铁芯的吸力，带动梁稳定在向下弯曲的状态，上下接触部件接触；通电时，电磁铁产生和永磁铁相同的磁性，在永磁铁所受的磁性斥力和梁自身弹性回复力的作用下，梁的自由端向上运动，接触部件分离，电路断开，电磁铁的磁性消失，永磁铁因铁芯的吸力带动梁向下弯曲，接触部件接触，电路接通；随着梁的上下振动，电路不断接通、断开，永磁铁的受力也在吸力、斥力间不断切换，由此驱动梁持续振动并输出位移。本发明使用直流驱动，驱动电压低，输出位移较大且稳定，控制方便，可以作为微型装置的驱动器。

Description

一种基于电磁自激振动原理的梁式微驱动器

技术领域

本发明涉及微驱动器领域，特别涉及一种电磁驱动原理的微驱动器。

背景技术

现有梁式微驱动器一般的工作原理是：悬臂梁(微梁)作为执行机构，将输入驱动器的电能转化为悬臂梁的振动，继而带动负载做功，其输出功率可以通过控制悬臂梁的振动参数如振动幅值和振动频率进行调节。微驱动器的性能评价主要有驱动电压、输出振动幅值(输出振幅)、输出功率范围及驱动效率等指标，对驱动电压的要求越低，输出振幅越大，输出功率范围越大，驱动效率越高，则驱动器的性能越好，驱动器的应用范围越广。

根据驱动原理的不同，现有的微驱动器主要有压电式、静电式和电磁式三类。其中，压电式微驱动器利用压电晶体材料在通电情况下产生变形的原理，输入交流电驱动压电微梁往复运动，从而实现驱动功能，这种驱动器输出功率大，但受驱动原理和压电晶体材料的限制，往往需要较高的交流电压(数百伏)，且输出振幅较小，因此压电式微驱动器在驱动电压和输出振幅方面的优化空间有限。静电式微驱动器利用带电体在电场中受静电力作用的原理，可以达到较高的能量转化效率，但激励微梁振动所需要施加的直流电压较高(数百至数千伏)，对驱动电压提出了更高的要求，同时由于静电力的大小有限，微梁直径不能太大，输出功率也受到了限制。电磁式驱动器采用“受迫振动”的振动形式，通过交流线圈产生的交变电场与永磁铁之间的吸斥力，实现悬臂梁的振动，具有驱动电压低、输出力矩大等优点，但是交流供电使得此类驱动器电路复杂，而且电磁感应产生的严重热损耗导致其效率较低。

因此，现有同尺寸量级(尺寸不超过5cm)的梁式微驱动器，难以在驱动电压、输出效率、输出功率三个方面同时兼顾。

发明内容

本发明主要针对现有梁式微驱动器的技术短板，提供一种直流驱动、电路简单、热损耗低、驱动效率高、使用范围广的基于电磁自激振动原理的梁式微驱动器。

本发明的技术方案为：一种基于电磁自激振动原理的微驱动器，包括：支撑底座，支撑框架，悬臂梁，组合框，上接触部件，接触支座，永磁铁，电磁支座，电磁铁，电磁框架，下接触部件。其中，悬臂梁是驱动器的位移输出部件，其固定端连接在支撑底座上，自由端可产生振动输出位移；支撑框架是微驱动器的主要支撑构件，包括两个，平行设置，框架一端用于安装固定支撑底座，另一端与组合框连接固定；永磁铁固定在悬臂梁的中部位置；电磁铁固定在电磁框架内并通过电磁支座与支撑框架连接；接触部件有上下两个，上接触部件固定在悬臂梁下面，下接触部件固定在接触支座上面；接触支座固定在支撑框架上。

系统不通电时，永磁铁受到电磁铁的铁芯的吸力，带动悬臂梁向下弯曲，使上下接触部件得到接触，悬臂梁稳定在向下弯曲的初始状态；给系统通电时，由于上下接触部件在初始状态下相互接触，电路接通，电磁铁产生和永磁铁相同的磁性，这时，悬臂梁受到永磁铁传递的向上的磁性斥力以及自身的回复力共同作用，其自由端向上运动，上下接触部件分离，电路断开，电磁铁的磁性消失，永磁铁受到电磁铁的铁芯的吸力，带动悬臂梁向下弯曲，上接触部件和下接触部件接触，电路再次接通；由此，悬臂梁的上下振动，使得电路在断开、接通状态间不断切换，电磁铁对永磁铁的作用力随之在吸力和斥力间不断转换，继而驱动悬臂梁持续振动。

其中，所述的电磁铁的铁芯和永磁铁之间在初始状态下具有较大的吸力，从而保证永磁铁可以带动悬臂梁稳定在向下弯曲的状态。

其中，所述的电磁铁和永磁铁之间在通电状态下具有较大的斥力，从而保证永磁铁可以带动悬臂梁向上运动，产生振动。

其中，所述电磁铁安装在支撑框架中的空心位置，为了确保永磁铁和电磁铁组合能提供较大的磁性作用力，从而使悬臂梁达到较大的输出振幅，在设计支撑框架时，可以根据永磁铁和电磁铁组合的磁性来调整该空心位置。

其中，所述的上接触部件和下接触部件结构相同，由金属导电材料制成，和导线之间通过焊接方式连接；接触部件具有良好的接触导电性和耐热性，在通电状态下不会产生严重的烧蚀。

其中，所述的微驱动器中所有连接部位均可采用胶接的方式。

其中，所述的电路通直流电，电压可小至3V，电流不超过1A。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)直流电源供能，电路简单。本发明基于电磁场中悬臂梁的“自激振动”实现驱动，可直接使用微型直流电源作为电源，不需要复杂的变换电路，实用性强。

(2)驱动电压低。本发明可实现在较低电压下输出大幅值的稳定振动，无需复杂的升压电路，输出力、位移和功率较大。

(3)热损耗小，驱动效率高。本发明所使用的电磁铁为直流电磁铁，与现有电磁式驱动器所用的交流电磁铁相比，直流电磁铁的涡流损耗可以忽略，整体热损耗更小，驱动效率更高。

(4)选材范围广，设计空间大。悬臂梁是梁式驱动器中最主要的零件之一，其材料和结构直接关系到驱动器的输出振幅，本发明中悬臂梁材料的选择极为宽泛，碳纤维、薄塑料板、薄金属片等易变形的弹性材料均可用以制作悬臂梁结构，对其刚度、质量、形状等设计提供了很大的空间，因而可以通过合理选材和设计来获得驱动对象所需要的输出振幅。

附图说明

图1为本发明基于电磁自激振原理的梁式微驱动器的结构示意图；

图2为本发明基于电磁自激振原理的梁式微驱动器的原理示意图；

图3为本发明中接触部件的局部示意图。

附图标号含义：1.支撑底座；2.支撑框架；3.悬臂梁；4.组合框；5.上接触部件；6.接触支座；7.永磁铁；8.电磁支座；9.电磁铁；10.电磁框架；11.下接触部件。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

本发明提供了一种基于电磁原理的梁式微驱动器，如图1、图2、图3所示，悬臂梁3的固定端固定在支撑底座1上，支撑底座1固定在支撑框架2中，组合框4将支撑框架2端部固定，永磁铁7固定在悬臂梁3的中部位置，电磁铁9固定在电磁框架10内并通过电磁支座8和支撑框架2连接，上接触部件5固定在悬臂梁3下面，下接触部件11固定在接触支座6上面，接触支座6固定在支撑框架2上，两个接触部件在初始状态下接触，并分别通过导线与电磁铁9连接，二者与导线之间连接方式为焊接。

在本实施例中，悬臂梁3所用材料为碳纤维，电磁铁9的铁芯直径为0.8mm，线圈匝数为50匝，永磁铁形状为圆柱体，直径2mm，高1mm，上接触部件5和下接触部件11为直径0.6mm的金属棒材。

本发明的工作过程如图2所示，机构初始状态时，系统不通电，永磁铁7受到电磁铁9的铁芯的吸力，带动悬臂梁3产生向下弯曲，上接触部件5和下接触部件11接触，悬臂梁3稳定在图中实线所示的弯曲状态。当给系统通电时，由于两个接触部件在初始状态下接触，电路接通，电磁铁9产生和永磁铁7相同的磁性，使得永磁铁7在磁性斥力作用下带动悬臂梁3自由端向上运动，上接触部件5随之上移，与下接触部件11分离(图中虚线部分)，电路断开，电磁铁9的磁性消失，永磁铁7受到电磁铁9的铁芯的吸力，带动悬臂梁3自由端向下弯曲，两个接触部件重新得到接触，电路再次接通。由此，悬臂梁3的上下振动，使得电路在断开、接通状态间不断切换，电磁铁对永磁铁的作用力随之在吸力和斥力间不断转换，继而使悬臂梁3持续振动，悬臂梁3的自由端输出位移实现驱动功能。

另外，可以理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例子，本发明还存在其他的实施方式，如悬臂梁3可由其他具有相似性能的弹性材料如薄塑料板、薄钢片等代替，结构连接部分的连接方式可采用3D打印等方式，各零件的参数，也可根据需要加以调整。根据试验研究和理论计算，电磁铁9铁芯直径为0.5mm～1mm，线圈匝数为30匝～60匝，永磁铁7形状为圆柱体或长方体，且各方向尺寸不超过2mm，上接触部件5和下接触部件11材料直径不超过1mm的金属棒材，只要参数匹配恰当，本发明的驱动器均能正常工作。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明的基本原理和具体实施方式进行了描述，以便于所属技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不受上述实施例的限制，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种基于电磁自激振动原理的梁式微驱动器，包括：支撑底座(1)，支撑框架(2)，悬臂梁(3)，组合框(4)，上接触部件(5)，接触支座(6)，永磁铁(7)，电磁支座(8)，电磁铁(9)，电磁框架(10)，下接触部件(11)；其中，悬臂梁(3)是驱动器的位移输出部件，其固定端连接在支撑底座(1)上，自由端可产生振动并输出位移，平行设置的一对支撑框架(2)是微驱动器的主要支撑构件，一端用于安装固定支撑底座(1)，另一端与组合框(4)连接固定，永磁铁(7)固定在悬臂梁(3)的中部位置，电磁铁(9)固定在电磁框架(10)内并通过电磁支座(8)与支撑框架(2)连接，上接触部件(5)固定在悬臂梁(3)下面，下接触部件(11)固定在接触支座(6)上面，两个接触部件分别通过导线与电磁铁(9)连接，接触支座(6)固定在支撑框架(2)上；

系统不通电时，永磁铁(7)受到电磁铁(9)的铁芯的吸力，带动悬臂梁(3)稳定在向下弯曲的初始状态，上接触部件(5)和下接触部件(11)接触；系统通电时，由于上下接触部件在初始状态下接触，电路接通，电磁铁(9)产生和永磁铁(7)相同的磁性，在永磁铁所受的磁性斥力和梁自身回复力的共同作用下，悬臂梁(3)自由端向上运动，上接触部件(5)与下接触部件(11)分离，电路断开，电磁铁(9)的磁性消失，永磁铁(7)受到电磁铁(9)的铁芯的吸力，带动悬臂梁(3)自由端向下弯曲，两个接触部件重新得到接触，电路再次接通；随着悬臂梁(3)的上下振动，使得电路在断开、接通状态间不断切换，永磁铁(7)的受力也在吸力和斥力间不断切换，由此驱动悬臂梁(3)自激振动，持续输出位移，实现驱动功能。

2.根据权利要求1所述的基于电磁自激振动原理的梁式微驱动器，其特征在于：所述电磁铁(9)安装在支撑框架(2)中的空心位置，永磁铁(7)和电磁铁(9)之间磁性作用力大小的控制，通过设计该空心位置来实现。

3.根据权利要求1所述的基于电磁自激振动原理的梁式微驱动器，其特征在于：所述的上接触部件(5)和下接触部件(11)，均由金属导电材料制成，具有良好的接触导电性和耐热性。

4.根据权利要求1所述的基于电磁自激振动原理的梁式微驱动器，其特征在于：所述的微驱动器连接部位固定方式均可采用胶接。

5.根据权利要求1所述的基于电磁自激振动原理的梁式微驱动器，其特征在于：所述的电磁铁(9)，铁芯直径为0.5mm～1mm，线圈匝数为30匝～60匝。

6.根据权利要求1所述的基于电磁自激振动原理的梁式微驱动器，其特征在于：永磁铁(7)形状可以为圆柱体或长方体，各方向尺寸不超过2mm。

7.根据权利要求1所述的基于电磁自激振动原理的梁式微驱动器，其特征在于：所述的上接触部件(5)和下接触部件(11)，为直径不超过1mm的金属棒材，和导线之间通过焊接方式连接。

8.根据权利要求1所述的基于电磁自激振动原理的梁式微驱动器，其特征在于：所述的电路通直流电，电压可小至3V，电流不超过1A。

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