CN108336891B - 转动和平动作动器及其组合装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种转动和平动作动器及其组合装置，多个相同的电磁线圈缠绕在梁体空心管的外表面上，给电磁线圈按照一定的规律通电，使得异形永磁粒子在梁体空心管内沿着管周向公转以及绕自身轴自转。异形永磁粒子公转时的向心力的反作用力作用在梁体空心管壁上，输出一个和公转轨道平行的幅值和频率可调激励力。而异形永磁粒子自转时和管壁的作用力也输出一个和自转轨道平行的幅值和频率可调激励力。本发明直接通过异形永磁粒子对外部输出力，没有中间传递部件，机械效率高，响应快，且频率和幅值大小调节简单，只需调节电磁线圈的电流大小即可。驱动时由于磁场基本在梁体空心管内，不需要外部磁屏部件，简化了结构。本发明的结构灵活多变，有多种不同的实现形式。

Description

转动和平动作动器及其组合装置

技术领域

本发明涉及平/转动作动、静电磁相互作用技术领域，具体地，涉及一种转动和平动作动器及其组合装置。

背景技术

作动器是用来移动或控制物体的机械器件，它按照确定的控制规律对控制对象施加控制力或位移。随着振动主动控制技术的发展，对作动器的要求愈来愈高。近年来，在传统的流体驱动、气体作动器和电器作动器的基础上，研究开发出了多种智能型作动器，如压电陶瓷作动器、压电薄膜作动器、电致伸缩作动器、磁致伸缩作动器、形状记忆合金作动器、伺服作动器和电流变流体作动器等。这些作动器的出现为实现高精度的振动主动控制提供了必要条件。本发明设计的是一款针对平动输出和转动输出的新型电磁作动器。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种新型转动和平动作动器及其组合装置。

根据本发明提供的一种转动和平动作动器，包括空心管、电磁线圈、永磁粒子、嵌入式磁电传感器。

多个相同的电磁线圈缠绕在与输出对象外形相适应的空心管外壁上；

永磁粒子放置在空心管内，能够自由运动；

嵌入式磁电传感器安装固定在空心管外壁上、电磁线圈表面或者直接安装在被隔对象上；

电磁线圈通电后形成通电螺线管，能够对永磁粒子的运动进行控制。

优选地，所述多个相同的电磁线圈中，沿周向相邻线圈之间保持相同的间隔距离，并均布在空心管上；或者沿周向相邻线圈之间没有间距。

优选地，所述永磁粒子是异形的，即在空间各个方向的尺寸不同，以增加异形永磁粒子自转时给外部的激励频率；其中，各个方向最大尺寸都比空心管的截面半径小，使得异形永磁粒子能够在空心管内自由运动；其中，永磁粒子的充磁方向是一定的、单一的。

优选地，所述嵌入式磁电传感器包括固定永磁体、运动永磁体或者霍尔传感器；

两个固定永磁体按极性方向相同同一直线放置，两者间有运动永磁体，运动永磁体依靠非导磁轴滑动或一块永磁体轴悬浮滑动；

霍尔传感器贴在固定永磁体上和运动永磁体相对；

空心管为环形空心管或者直线形空心管。

根据本发明提供的一种组合装置，包括一个或多个上述的转动和平动作动器。

优选地，在每两个电磁线圈之间安装空心永磁体；所述空心永磁体套在空心圆管上，并且两端和电磁线圈接触，使得永磁体和电磁线圈把空心圆管完全包围住；空心永磁体是整块永磁体，或者是多块永磁体按照两块之间异性相吸或同性相斥拼接而成。

优选地，只采用一个电磁线圈，把空心圆管全部包围住；且永磁体是单个永磁体，或者多个永磁体按相接触面的极性相同拼接而成，或者仅是一个铁磁体球。

优选地，

-永磁粒子被固定在直线形空心管中央，只能绕某一定轴转动；

-包括两根输出杆，输出杆一端与异形永磁粒子相接触，另一端与外部输出对象连接；输出杆是非导磁的但其上有一块铁磁性材料，铁磁性材料使得输出杆一端在异形永磁粒子转动时总是与异形永磁粒子接触。

优选地，异形永磁粒子在直线形空心圆管长度方向上布置多个，只能绕定轴转动，且两两异形永磁粒子之间用输出杆连接。

9、根据权利要求5所述的组合装置，其特征在于，电磁线圈由多个电磁线圈拼接而成；或者电磁线圈之间连接整块永磁体或多块按异形相吸、同性相斥拼接而成的永磁体；

异形永磁粒子不固定，在直线形空心圆管内平动和转动。

根据本发明提供的一种组合嵌入式磁电传感装置，包括上述的组合装置，组合装置的数量为多个，多个组合装置串联成三角形、四边形或者五边形；

运动永磁体固定在一根梁体端部，梁体另一端固定在嵌入式磁电传感器内壁上，两个霍尔元件也固定在嵌入式磁电传感器内壁上。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)直接作动，传动效率高。相比于传统的转动和平动输出方式，此种作动器通过空心圆管壁直接将激励力作用在输出对象上，响应快，机械传递效率高，损耗低；

(2)频率输出方式灵活，可以对异形永磁粒子外形的设计，使得作动器输出单一频率或者多种频率；

(3)频带范围和激励力范围宽；作动器的输出频率由电磁线圈的电流、异形永磁粒子外形和数量控制，通过增大电流，设计复杂外形的异形永磁粒子，增加异形永磁粒子数量都可以增大频带范围和激振力范围；

(4)装置调节简单，适应能力强；装置的控制系统内置了自适应算法，可以根据嵌入式磁电传感器反馈的数据和要求输出值对比后自动调节电磁线圈的电流大小和通电频率，无需使用者操作即可达到良好的作动效果；

(5)自制的嵌入式磁电传感器，结构简单，功能丰富多样，可以检测驱动系统的加速度、频率、异形永磁粒子的转圈数即转速；

(6)结构简单，小巧灵活，形式多变，功能丰富；本发明的新型转动和平动作动器零件数目少，且装置的体积小，可以根据不同应用条件对部件进行组合得到不同的工作形式。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基本实施例高速定心式振动抑制装置在不同状态下的原理结构对比示意图。

图2为本发明具体实施例1的结构示意图。

图3为本发明具体实施例2的结构示意图。

图4为本发明具体实施例3的结构示意图。

图5为本发明具体实施例4的不同运动状态的结构对比示意图。

图6为本发明具体实施例5的结构示意图。

图7为本发明具体实施例6的结构示意图。

图8为本发明具体实施例7的结构示意图。

图9为本发明具体实施例8的结构示意图。

图10为本发明具体实施例9的结构示意图。

图11为本发明具体实施例10的结构示意图。

图12为本发明基本实施例的磁电传感器的结构示意图。

图13为本发明具体实施例11的结构示意图。

图14为本发明具体实施例12的结构示意图。

图中：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

基本实施例：

结构原理：

如图1所示，电磁线圈1缠绕在环形空心管3上，异形永磁粒子4放置在环形空心管3内并可以在管内自由运动，嵌入式磁电传感器2安装至被隔对象上或环形空心管3壁上或电磁线圈1上。电磁线圈1等间距均布在截面任意的环形空心管3上，控制系统按照一定的控制规律给每个电磁线圈1分别通电，使得空心管3内的异形永磁粒子4持续受力，不断加速最终绕着环形空心管3公转并稳定到某一转速。又因为永磁粒子4是异形的，它还会绕着自身的某个旋转轴自转。每个电磁线圈1的通电频率保证异形永磁粒子4持续受力，而其电流大小则控制着永磁粒子4的稳定转速，当电流足够时，永磁粒子4能达到较高的公转和自转速度。

根据陀螺效应，即重力对高速旋转中的陀螺产生的对支撑点的力矩不会使其发生倾倒，而发生小角度的进动，一言以蔽之，就是物体转动时的离心力会使自身保持平衡，重力的作用与离心力相比已变得不值一提了。同样的，高速公转的异形永磁粒子4和环形空心管3之间的相互作用力使得环形空心管3和被隔对象之间也发生着相互作用。向心力使得永磁粒子4稳定在某一轨道，同时相互作用力也使得环形空心管3和被隔对象稳定在和永磁粒子4同轴的轨道上，相应的，和轨道平行的任意方向振动即被抑制，即永磁粒子4运动的切向方向。而和轨道垂直的振动，则由于异形永磁粒子4的自转作用在空心圆管的力传递到被隔对象上，形成主动力，对振动进行抑制。此即高速定心式振动抑制。同时，上述所说的公转和自转对输出对象有着不同频率和大小的激励力，因此，它也是一种作动器。

对于适用于本系统或其他类似系统的嵌入式磁电传感器，具体结构如图12所示。固定永磁体11固定在磁电传感器的内壁上，两者磁极方向相同，中间有一个运动永磁体12，运动永磁体12依靠一根轴体13滑动，轴体13可由非导磁材料组成使运动永磁体接触滑动，或由永磁体构成使运动永磁体悬浮滑动。霍尔元件或其它类型感应磁场的磁电传感元件14贴在固定永磁体上，和运动永磁体相对。运动永磁体12和固定永磁体之间总是斥力，因此，当输出对象或作动器运动时，由于惯性，运动永磁体12会在梁体上来回滑动，其导致霍尔元件14感应到的磁场发生变化，则霍尔元件14的输出电压变化，此输出电压即可表征输出对象或作动器的运动加速度、频率等。同时，异形永磁粒子4的旋转运动也会导致霍尔元件14输出脉冲电压发生变化，此脉冲输出电压在单位时间内的数量可以表征异形永磁粒子4单位时间内的转圈数，即公转速度。

驱动机理：

若将本发明提出的新型转动和平动作动器看做是一种振动抑制装置，则将其安装在被隔对象上，此处，如图1所示，假设仅有4个相同的电磁线圈1缠绕在环形空心管3上。电磁线圈1没有通电时，异形永磁粒子4在环形空心管3内自由运动。控制系统根据嵌入式磁电传感器2采集到数据，通过外部电源给电磁线圈1按照一定控制规律通入电流后，异形永磁粒子4开始加速并逐渐稳定到一恒定轨道和恒定速度，开始发挥高速定心作用，对被隔对象的振动进行抑制。当嵌入式磁电传感器2检测到被隔对象的振动幅值或频率发生变化时，控制系统调节外部电源给各个电磁线圈1供电的电流大小和频率，以适应被隔对象的变化。其中，控制系统有着这样的控制规律：如图1(b)所示，在图中所示的90度范围(角度范围随电磁线圈1数量变化)内，为使得异形永磁粒子4加速，①②号电磁线圈应都给予在运动方向上的力，按图1(b)的异型永磁粒子4左边N极右边S极的磁极方向假设，此时，只给①②号电磁线圈通电，并使得两者相对异型永磁粒子4的端面都是S极，则此时，异形永磁粒子4受推力而加速。而当运动到图1(c)所示的90度范围内时，应只给②③号电磁线圈通电，为使得异型永磁粒子4仍受推力，②号电磁线圈的电流方向，从而与图1(b)的磁场相同。如是往复，控制系统只同时控制两个电磁线圈的电流大小和方向，以加速异形永磁粒子并达到稳定的旋转轨道和速度。

若将本发明提出的新型转动和平动作动器看做是一种作动器，则和上述同样的控制原理，但控制律更加需要按照需求设计，改变电磁线圈1的电流大小过频率可使得异形永磁粒子4运动或停止。

作动器或输出对象的运动引起本发明提出的磁电传感器中运动永磁体12运动，从而使得霍尔元件14的输出电压发生变化，电压变化由控制系统计算出此时作动器或输出对象的加速度或者频率。异形永磁粒子4在环形空心管3内的运动也会引起霍尔元件输出脉冲电压，控制系统根据脉冲电压可以计算出异形永磁粒子的转圈数或公转速度。

具体实施例1：

图2是基本实施例的变形。将异形永磁粒子换为椭球形，则其自转一周期时将会对输出对象发生两次激励作用，提高了激励频率。同时，推而广之，可以换成三角形、六边形，激励频率会更高。

具体实施例2：

图3是基本实施例的变形。将多个电磁线圈1无间隙的缠绕在环形空心管3上，电磁线圈的长度和异形永磁粒子的直径相仿。通过对多个电磁线圈电流的控制，控制异形永磁粒子在环形空心管3内的运动。

具体实施例3：

图4是基本实施例的变形。在环形空心管3内放置多个异形永磁粒子4，则对公转轨道上的每一点的激励频率加倍，同时，对输出对象的激励力也加倍，倍数和异形永磁粒子4的个数成正比。

具体实施例4：

图5是基本实施例的变形。基本实施例中控制系统实时给电磁线圈通电，在高速旋转情况下，对控制系统的控制精度要求较高，为此如图2所示，对基本实施例进行变形。在两个电磁线圈之间增加空心永磁体5，空心永磁体可以是整块永磁体，也可以是多块永磁体按照同性相斥，异性相吸的原理拼成一块，但无论怎样，它的作用都在于保证异型永磁粒子4在进入空心永磁体5和转出空心永磁体5时的速度相同，因为异形永磁粒子4在空心永磁体5中一半受推力一半受阻力，导致空心永磁体5对异形永磁粒子4做功为0，不改变进入和转出时的速度。因此，降低了控制系统的控制精度要求，控制系统只需控制异形永磁粒子在一个电磁线圈中运动时的电流大小和方向即可。如此应有这样的控制规律：当异形永磁粒子4进入电磁线圈长度一半范围内，电磁线圈给异形永磁粒子4推力，当进入电磁线圈长度另一半范围内时，控制系统使电磁线圈电流方向，继续加速异形永磁粒子。如是往复。

具体实施例5：

图6是更为基于基本实施例的更为简化的方案。采用一个电磁线圈4完全包围着环形空心管3，控制系统给电磁线圈通交流电后在环形空心圆管内形成连续变化磁场6，使得异形永磁粒子4沿着磁场线6加速，直到稳定在某一轨道和恒定速度，以达到高速定心作用。异形永磁粒子4可以是单个永磁体，或者多个永磁体按相接触的面极性相同拼接而成，或者仅是一个铁磁体球。

具体实施例6：

图7是基于基本实施例的变形。将环形空心管3替换为直线形空心管10；电磁线圈1缠绕在空心管10上；一个异形永磁粒子4固定在空心管内，只能定轴转动；异型永磁粒子4两端始终接触着两根传输杆8，传输杆8内嵌着两个导磁材料9，如铁，导磁材料9和异形永磁粒子之间的吸力使得传输杆8和异形永磁粒子之间总是接触的。电磁线圈1内通入交变电流，则异形永磁粒子绕定轴转动，带动两根传输杆运动输出交变的力和位移，达到作动器的效果。

具体实施例7：

图8是基于具体实施例6的变形。在直线空心管10内放入多个异型永磁粒子，其中最中间的一个固定，只能定轴转动，而其他的不固定，则电磁线圈通入交变电流后同样有作动器效果，但力和位移都比具体实施例6成倍增加，倍数和异形永磁粒子数量成正比。

具体实施例8：

图9是基于具体实施例6的变形。直线空心管10内的异形永磁粒子不固定，既可以在空心管10内转动，又可以平动。则电磁线圈1通入交变电流后，异形永磁粒子在空心管内边平动边转动，输出杆也输出同样力和位移。

具体实施例9：

图10是基于具体实施例8的变形。缠绕在直线空心管10上的电磁线圈由多个小电磁线圈1拼接而成，以达到对异形永磁粒子运动更精确的控制，但同时，对控制系统的控制精度也随之提高。

具体实施例10：

图11是基于具体实施例9的变形，缠绕在直线空心管10上的电磁线圈之间安装一块或多块空心永磁体5，空心永磁体5按同性相斥、异形相吸的原理拼接而成，具体可根据控制要求确定。如此，异形永磁粒子在进入和走出空心永磁体5时保持速度不变，使得控制系统对电磁线圈的控制出现时间间隔，降低了控制频率和精度。

具体实施例11：

图13是基于基本实施例中的嵌入式磁电传感器的变形，将基本实例中的多个磁电传感器核心部分进行集成串接，组成三角形、四边形、五边形等，以对多个方向的运动幅值和频率进行检测。

具体实施例12：

图14是基于基本实施例中的嵌入式磁电传感器的变形。将运动永磁体12固定在梁体15一端，梁体15另一端固定在嵌入式磁电传感器的内壁上。则作动器或输出对象运动时，会引起梁体15的微振动，导致运动永磁体12也在微振动，则传感器内壁的两个霍尔元件感应到的磁场强度发生变出，输出了电压，电压的大小和频率即可表征作动器或输出对象在不同方向的运动频率和加速度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种组合装置，其特征在于，包括一个或多个的转动和平动作动器；

转动和平动作动器，包括空心管、电磁线圈、永磁粒子、嵌入式磁电传感器；多个相同的电磁线圈缠绕在与输出对象外形相适应的空心管外壁上；永磁粒子放置在空心管内，能够自由运动；嵌入式磁电传感器安装固定在空心管外壁上、电磁线圈表面或者直接安装在被隔对象上；电磁线圈通电后形成通电螺线管，能够对永磁粒子的运动进行控制；

在每两个电磁线圈之间安装空心永磁体；所述空心永磁体套在空心圆管上，并且两端和电磁线圈接触，使得永磁体和电磁线圈把空心圆管完全包围住；空心永磁体是整块永磁体，或者是多块永磁体按照两块之间异性相吸或同性相斥拼接而成。

2.根据权利要求1所述的组合装置，其特征在于，

-永磁粒子被固定在直线形空心管中央，只能绕某一定轴转动；

-包括两根输出杆，输出杆一端与异形永磁粒子相接触，另一端与外部输出对象连接；输出杆是非导磁的但其上有一块铁磁性材料，铁磁性材料使得输出杆一端在异形永磁粒子转动时总是与异形永磁粒子接触。

3.根据权利要求1所述的组合装置，其特征在于，电磁线圈由多个电磁线圈拼接而成；或者电磁线圈之间连接整块永磁体或多块按异形相吸、同性相斥拼接而成的永磁体；

异形永磁粒子不固定，在直线形空心圆管内平动和转动。

4.一种组合嵌入式磁电传感装置，其特征在于，包括权利要求1至3中任一项所述的组合装置，组合装置的数量为多个，多个组合装置串联成三角形、四边形或者五边形；

运动永磁体固定在一根梁体端部，梁体另一端固定在嵌入式磁电传感器内壁上，两个霍尔元件也固定在嵌入式磁电传感器内壁上。