CN117811280A - 磁阻电机及磁阻电机的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密仪器技术领域，尤其涉及一种磁阻电机及磁阻电机的设计方法，磁阻电机包括基座、磁路组件和柔顺机构，柔顺机构包括移动件和两个弹性件，两个弹性件的一端分别与移动件沿其轴向上的两端连接，两个弹性件的另一端均固定于基座，两个弹性件可沿移动件的轴向方向形变，磁路组件包括动子、线圈、磁铁和磁轭，线圈缠绕于磁轭，磁轭围绕磁铁设置，动子的两端分别设置两个磁轭，移动件与动子连接。通过引入非线性的柔顺机构可补偿磁阻电机固有的非线性，从而使得系统开环稳定，提高系统线性度，从而提升运动精度。

Description

磁阻电机及磁阻电机的设计方法

技术领域

本发明涉及精密仪器技术领域，尤其涉及一种磁阻电机及磁阻电机的设计方法。

背景技术

在小量程（百μm量级）下，混合磁阻电机的线性度良好，电机常数与负刚度基本不随动子位置改变而改变，但在大行程下（mm量级），混合磁阻电机的非线性较为明显，电机常数与负刚度随动子位置改变明显改变。该非线性一方面会使动子位移超过某一值后，系统开环不稳定；另外一方面，负刚度与电机常数随位置变化，使得叠加上柔顺机构的正刚度的等效总刚度随位置变化，进一步系统谐振频率随位置变化，大大增加了控制的难度，降低了运动精度。

发明内容

本发明提供一种磁阻电机及磁阻电机的设计方法，用以解决现有技术中的缺陷之一，实现在不改变位移-驱动力关系中一次项的基础上，通过调节引入的弹性件结构可以直接调节三次项非线性项的大小，通过引入非线性的柔顺机构可补偿磁阻电机固有的非线性，从而使得系统开环稳定，提高系统线性度，从而提升运动精度。

本发明提供一种磁阻电机，包括基座、磁路组件和柔顺机构，所述柔顺机构为具有非线性力-位移关系的柔顺机构，所述柔顺机构包括移动件和两个弹性件，两个所述弹性件的一端分别与所述移动件沿其轴向上的两端连接，两个所述弹性件的另一端均固定于所述基座，两个所述弹性件可沿所述移动件的轴向方向形变，所述磁路组件包括动子、线圈、磁铁和磁轭，所述线圈缠绕于所述磁轭，所述磁轭围绕所述磁铁设置，所述动子的两端分别设置两个所述磁轭，所述移动件与所述动子连接。

根据本发明提供的一种磁阻电机，所述弹性件包括运动刚度调节件，所述运动刚度调节件的轴向与所述移动件的轴向平行设置，所述运动刚度调节件位于所述移动件的端部的同侧或相对设置的两侧。

根据本发明提供的一种磁阻电机，位于所述移动件的端部的同侧的多个所述运动刚度调节件以所述移动件的轴向为轴对称设置。

根据本发明提供的一种柔顺机构，所述弹性件还包括两个位移约束件，两个所述位移约束件分别设置于所述移动件的两侧，所述位移约束件的轴向与所述移动件的轴向垂直设置。

根据本发明提供的一种磁阻电机，所述移动件包括平行梁和两个端块，两个所述端块分别与所述平行梁的两端连接，两个所述弹性件分别与两个所述端块连接。

根据本发明提供的一种磁阻电机，所述平行梁包括中间块以及对称设置于所述中间块两侧的第一初级梁和第二初级梁，所述中间块与所述动子连接，所述第一初级梁和所述第二初级梁分别与两个所述端块连接。

根据本发明提供的一种磁阻电机，所述磁阻电机还包括传感器，所述传感器对应所述中间块设置，适于测量所述中间块的位移距离。

本发明提供一种磁阻电机的设计方法，应用于如上所述的磁阻电机，包括：

获取磁阻组件中动子的力-位移曲线关系为，获取磁路组件中动子的电机常数-位移曲线为，其中，为动子位移；

确定柔顺机构的力-位移关系为 ，根据和，并通过设定工作点等效刚度的允许波动范围，求局部最优；

根据局部最优，结合柔顺机构的力-位移表达式，反解柔顺机构的设计参数。

根据本发明提供的一种磁阻电机的设计方法，所述确定柔顺机构的力-位移关系为 根据和，并通过设定工作点等效刚度的允许波动范围，求局部最优包括：

确定柔顺机构的力-位移关系为，根据和，并通过设定工作点等效刚度的允许波动范围，求取优化的系数和，获取局部最优解与，其中工作点的等效刚度

；

所述根据局部最优，结合柔顺机构的力-位移表达式，反解柔顺机构的设计参数包括：

根据局部最优解与，结合柔顺机构的力-位移表达式为和，反解初级梁与运动刚度调节件的设计参数，其中，为施加在柔顺机构的中间块上的力，是中间块产生的位移，为初级梁材料的杨氏模量，为初级梁的截面惯性矩，为初级梁的长度，为初级梁的厚度，为运动刚度调节件产生的等效约束刚度，为运动刚度调节件的杨氏模量，为运动刚度调节件的高度，为运动刚度调节件的厚度，为运动刚度调节件的长度。

根据本发明提供的一种磁阻电机的设计方法，所述确定柔顺机构的力-位移关系为，根据和，并通过设定的允许波动范围，求取优化的系数和，获取局部最优解与包括：

设定工作点等效刚度的上波动范围与下波动范围；

设定待优化值的初值与，通过quasi-newton 算法求解使得最大的局部最优解与，其中，为满足条件的取值范围长度；

判断局部最优解与是否可行，若可行则根据局部最优解与，结合柔顺机构的力-位移表达式为，反解初级梁与运动刚度调节件的设计参数，若不可行则更改上波动范围与下波动范围和待优化值的初值与，并重新进行优化求解。

根据本发明提供的一种磁阻电机的设计方法，所述判断局部最优解与是否可行包括：

判断取值范围内对应工作点平衡电流是否超过电流限幅。

本发明实施例的磁阻电机，提供一种集成非线性柔顺机构的大行程混合磁阻电机，混合磁阻电机的磁路组件主要包括动子、磁轭、线圈和磁铁，磁铁提供偏置磁通，磁轭用于引导磁通，通过控制线圈的电流影响施加在动子上的磁力，从而进一步精确控制动子的位置。磁阻电机能够提供双向、无摩擦、高力密度的驱动力，核心在于线圈磁通以差分的方式改变动子两侧的磁铁磁通，即通过控制线圈的电流，线圈磁通总在一侧气隙增强磁铁磁通，而在另一侧气隙削弱磁铁磁通。动子通过连接件与移动件连接为一体，动子的运动同步传递至移动件，负刚度由磁铁引入，即靠近磁轭时动子会被磁力吸引，使得整个系统有开环不稳定的风险；动子通过柔顺机构进行导向，柔顺机构的正刚度能够抵消磁路组件固有的负刚度，从而使得在一定范围内系统开环稳定。当采用线性的柔顺机构，磁阻组件的变负刚度与变电机常数使得动子越靠近磁轭，系统的等效刚度越小，当系统等效刚度小于零时，开环不稳定。引入非线性的柔顺机构，能够抑制变负刚度与变电机常数对于系统等效刚度的影响。综上，通过引入非线性的柔顺机构可补偿磁阻电机固有的非线性，从而使得系统开环稳定，提高系统线性度，从而提升运动精度。

柔顺机构具有非线性的正刚度，磁路组件具有固有的非线性。柔顺机构的正刚度变化经过设计可以在一定范围内抵消非线性负刚度与变电机常数的影响，从而使得谐振频率随位置变化幅度减小，此外，柔顺机构非线性正刚度的引入也使得工作点等效刚度大于0的范围增大，从而相对于线性柔顺机构扩展了开环稳定的范围。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的磁阻电机的结构示意图；

图2是本发明提供的磁阻电机的柔顺机构的结构示意图之一；

图3是本发明提供的磁阻电机的柔顺机构的结构示意图之二；

图4是本发明提供的磁阻电机与柔顺机构工作点等效刚度-位移曲线。

附图标记：

100、移动件；110、平行梁；111、中间块；112、第一初级梁；113、第二初级梁；120、端块；

200、弹性件；210、运动刚度调节件；220、位移约束件；

300、磁路组件；310、动子；320、线圈；330、磁轭；340、磁铁；

400、基座；500、柔顺机构；600、连接件；700、传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

此外，在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的磁阻电机，包括基座400、磁路组件300和柔顺机构500，柔顺机构500为具有非线性力-位移关系的柔顺机构，柔顺机构500包括移动件100和两个弹性件200，两个弹性件200的一端分别与移动件100沿其轴向上的两端连接，两个弹性件200的另一端均固定于基座400，两个弹性件200可沿移动件100的轴向方向形变，磁路组件300包括动子310、线圈320、磁铁340和磁轭330，线圈320缠绕于磁轭330，磁轭330围绕磁铁340设置，动子310的两端分别设置两个磁轭330，移动件100与动子310连接。

本发明实施例的磁阻电机，提供一种集成非线性柔顺机构500的大行程混合磁阻电机，混合磁阻电机的磁路组件300主要包括动子310、磁轭330、线圈320和磁铁340，磁铁340提供偏置磁通，磁轭330用于引导磁通，通过控制线圈320的电流影响施加在动子310上的磁力，从而进一步精确控制动子310的位置。磁阻电机能够提供双向、无摩擦、高力密度的驱动力，核心在于线圈320磁通以差分的方式改变动子310两侧的磁铁340磁通，即通过控制线圈320的电流，线圈320磁通总在一侧气隙增强磁铁340磁通，而在另一侧气隙削弱磁铁340磁通。动子310通过连接件600与移动件100连接为一体，动子310的运动同步传递至移动件100，负刚度由磁铁340引入，即靠近磁轭330时动子310会被磁力吸引，使得整个系统有开环不稳定的风险；动子310通过柔顺机构500进行导向，柔顺机构的正刚度能够抵消磁路组件固有的负刚度，从而使得在一定范围内系统开环稳定。当采用线性的柔顺机构，磁阻组件的变负刚度与变电机常数使得动子越靠近磁轭，系统的等效刚度越小，当系统等效刚度小于零时，开环不稳定。引入非线性的柔顺机构500，能够抑制变负刚度与变电机常数对于系统等效刚度的影响。综上，通过引入非线性的柔顺机构500可补偿磁阻电机固有的非线性，从而使得系统开环稳定，提高系统线性度，从而提升运动精度。

柔顺机构500具有非线性的正刚度，磁路组件300具有固有的非线性。柔顺机构500的正刚度变化经过设计可以在一定范围内抵消非线性负刚度与变电机常数的影响，从而使得谐振频率随位置变化幅度减小，此外，柔顺机构500非线性正刚度的引入也使得工作点等效刚度大于0的范围增大，从而相对于线性柔顺机构500扩展了开环稳定的范围。

本实施例中，两个磁铁340分别在动子310的左侧和右侧两个位置设置，动子310与磁轭330之间存在间隙，两个磁轭330也位于动子310的左右两侧，且磁轭330由上方和下方贴近动子310，磁铁340位于动子310和磁轭330围设出空间的中间，磁铁340与线圈320之间存在间隙，磁铁340一端吸附在磁轭330上，另一端与动子310之间存在空隙，两个磁铁340的磁性沿左右方向且极性相反，比如N级都在中间或S级都在中间，线圈320的连接方式使得通入电流产生的磁通总在一侧（上下）的气隙增大磁铁340产生的磁通，而在另一侧（上下）的气隙削弱磁铁340产生的磁通。

本实施例中，柔顺机构500的移动件100的两端设置弹性件200，由于弹性件200的一端固定在基座400上，另一端与移动件100连接，因此当移动件100在受到垂直于其轴向方向的驱动力后，移动件100变形进而带动其端部的弹性件200也发生形变，当柔顺机构500设置于混合磁阻电机时，电机的动子驱动柔顺件变形，同时本发明的柔顺机构500作为非线性柔顺机构500具有非线性的正刚度，混合磁阻电机具有固有的非线性负刚度。非线性柔顺机构500的正刚度变化经过设计可以部分抵消非线性负刚度与变电机常数的影响，从而减小谐振频率随位置发生的变化。因此在对柔顺机构500进行设计时，需针对其一次项系数与三次项系数进行设计，才能最大程度抵消非线性负刚度与电机常数的负面影响。

本发明实施例的柔顺机构500是一种非线性解耦设计的柔顺机构，能够在不改变位移-驱动力关系中一次项的基础上，通过调节引入的弹性件200可以直接调节三次项非线性项的大小。即本发明将现有技术中移动件100的两端直接固定改为用弹性件200进行约束，通过改变弹性件200的设计参数，如改变其长度、宽度、高度等，或者通过选用特定材料的弹性件，材料的弹性模量随温度以及磁场变化而引起弹性件200的刚度变化，以此设计和调节弹性件200即可实现对移动件100的位移-驱动力非线性关系的调节，且基本不影响线性项的大小。

其它实施例中，移动件100可采用对称的平行四边形结构，弹性件200可采用弹簧，弹簧的伸缩方向与对称的平行四边形结构的轴向相同，基座可为磁阻电机的壳体的一部分。

根据本发明提供的一个实施例，弹性件200包括运动刚度调节件210，运动刚度调节件210的轴向与移动件100的轴向平行设置，运动刚度调节件210位于移动件100的端部的同侧或相对设置的两侧。本实施例中，运动刚度调节件210可对移动件100提供左右运动刚度的调节，运动刚度调节件210的延伸方向与移动件100的轴向相同，而且运动刚度调节件210的一端与移动件100的端部连接，另一端固定。运动刚度调节件210可仅在移动件100端部的一侧设置，也可在移动件100端部的两侧均有设置，设置在不同位置，运动刚度调节件210的受力方向不同。

在移动件100受到驱动力变形时，移动件100的两端沿移动件100的轴向方向相对移动，呈相互靠近的趋势，以此向运动刚度调节件210施加拉力或压力，带动运动刚度调节件210同样沿移动件100的轴向方向形变，运动刚度调节件210由此向移动件100反馈压力或拉力。

本实施例中，运动刚度调节件210为具有一定厚度和长度且可在一定范围形变恢复的铝制板材。在其它实施例中，运动刚度调节件210还可为变刚度材料部件，如磁流变弹性体，可以通过外界控制磁场大小改变刚度，从而在线调节非线性程度。

根据本发明提供的一个实施例，位于移动件100的端部的同侧的多个运动刚度调节件210以移动件100的轴向为轴对称设置。本实施例中，多个运动刚度调节件210设置于移动件100端部的同一侧，或设在移动件100端部同一侧的多个运动刚度调节件210，在移动件100上呈对称分布设置，以保证运动刚度调节件210在移动件100的整体范围内对均匀施力，确保移动件100的受力均匀，避免因集中位置受力而在移动件100位移过程中发生偏斜扭转。

根据本发明提供的一个实施例，弹性件200还包括两个位移约束件220，两个位移约束件220分别设置于移动件100的两侧，位移约束件220的轴向与移动件100的轴向垂直设置。本实施例中，位移约束件220用于约束移动件100沿上下方向的运动，位移约束件220的延伸方向与移动件100的轴向垂直，而且位移约束件220的一端与移动件100的端部连接，另一端固定。位移约束件220在移动件100端部的两侧均有设置。弹性件200可为位移约束件220与运动刚度调节件210相配合组成，也可不设置运动刚度调节件210，仅设置位移约束件220的结构。

在移动件100受到驱动力变形时，移动件100的两端沿移动件100的轴向方向相对移动，呈相互靠近的趋势，以此向位移约束件220施加拉力，带动位移约束件220同样沿移动件100的轴向方向拉伸弯曲，受到位移约束件220恢复弯曲的弹性力影响，位移约束件220由此向移动件100反馈沿移动件100的轴向方向相背移动，使移动件100的两个端部呈相互远离的趋势拉力。

而且，移动件100端部的两侧均设置位移约束件220，还能够在驱动力驱动移动件100移动时，位移约束件220在垂直于移动件100的轴向的方向上限制移动件100的端部的移动，对移动件100的端部移动起到限位作用，使移动件100端部仅发生沿起轴向方向上的移动。

本实施例中，位移约束件220为具有一定后度和长度且可在一定范围形变恢复的铝制板材。

根据本发明提供的一个实施例，移动件100包括平行梁110和两个端块120，两个端块120分别与平行梁110的两端连接，两个弹性件200分别与两个端块120连接。本实施例中，移动件100的两端为两个端块120，两个端块120之间通过平行梁110连接，即平行梁110沿移动件100的轴向延伸，两个弹性件200分别连接于两个端块120上，驱动力可加载于平行梁110上，平行梁110形变同时带动两个端块120移动，进而对连接在端块120上的弹性件200施力。

本实施例中，平行梁110为一对相互平行设置的梁体，在受到驱动力后可产生弯曲变形。平行梁110的厚度远小于端块120的厚度，平行梁110与端块120组成平行四边形结构。

根据本发明提供的一个实施例，在弹性件200包括运动刚度调节件210的情况下，运动刚度调节件210设置于两个端块120之间。本实施例中，运动刚度调节件210位于两个端块120之间，即两个端块120在相对的两侧设置运动刚度调节件210，端块120的中部设置平行梁110，端块120的边缘设置运动刚度调节件210，在端块120分布的空间内，集中设置运动刚度调节件210与平行梁110，能够使弹性件200与移动件100组合的柔顺机构500节省空间占用量，柔顺机构500的结构更加集成。

在其它实施例中，两个端块120还可仅在相背的侧面设置运动刚度调节件210，即两个端块120位于两组运动刚度调节件210之间，端块120还可两侧均设置运动刚度调节件210。运动刚度调节件210设置在两个端块120之间时，移动件100受到驱动力发生位移，运动刚度调节件210受到沿其轴向的压力。端块120设置于两组运动刚度调节件210之间时，移动件100受到驱动力发生位移，运动刚度调节件210受到沿其轴向的拉力。

根据本发明提供的一个实施例，平行梁110包括中间块111以及对称设置于中间块111两侧的第一初级梁112和第二初级梁113，中间块111与动子310连接，第一初级梁112与第二初级梁113分别与两个端块120连接。本实施例中，移动件100由端部的两个端块120、中部的中间块111以及连接端块120和中间块111的第一初级梁112和第二初级梁113组成。当柔顺机构500应用于磁阻电机时，为保证柔顺机构500与磁阻电机的动子同步震动，通过连接件将中间块111与动子固定连接，中间块111沿垂直于平行梁110的方向移动，从而带动第一初级梁112和第二初级梁113位移，进而带动两个端块120移动。中间块111的厚度与端块120的厚度相近，保证在动子通过连接件带动中间块111振动时，中间块111易于施力且不会产生形变。

本实施例中，第一初级梁112与第二初级梁113的中间块111的两侧设置，而且沿中间块111的中线呈对称分布，即第一初级梁112与第二初级梁113设置的数量、位置以及自身结构和构成参数完全相同。本实施例中，中间块111的一侧设置两个第一初级梁112，另一侧对称设置两个第二初级梁113。在其它实施例中，第一初级梁112与第二初级梁113的数量可根据实际需要设置，满足对称成对设置的要求即可。

根据本发明提供的一个实施例，磁阻电机还包括传感器700，传感器700对应中间块111设置，适于测量中间块111的位移距离。本实施例中，传感器700为光栅尺，设置于中间块111的上方，能够实时检测中间块111在动子310带动下的震动情况。

如图3和图4所示，本发明实施例还提供一种柔顺机构500的设计方法，应用于如上述实施例的柔顺机构500，包括：

获得第一初级梁112和第二初级梁113的非线性载荷-位移关系为：

，

其中，为无量纲化处理后沿初级梁轴向的位移；为无量纲化处理后沿垂直于移动件100轴向的位移；为无量纲化处理后预加载轴向力；为无量纲化处理后的弹性件200的刚度系数；为无量纲化处理后的驱动力；为第一初级梁112；为第二初级梁113；，是初级梁的面内厚度，为第一初级梁112与第二初级梁113的长度之和；为第一初级梁112的数量；

考虑小转角情况下，几何相容条件为:

，

其中，为中间块111的重心；为初级梁的转角；为无量纲化处理后第一初级梁112沿移动件100轴向的位移；为无量纲化处理后第二初级梁113沿移动件100轴向的位移；为无量纲化处理后移动件100沿移动件100轴向的位移；为无量纲化处理后第一初级梁112沿垂直于移动件100轴向的位移；为无量纲化处理后第二初级梁113沿垂直于移动件100轴向的位移；为无量纲化处理后移动件100沿垂直于移动件100轴向的位移；为第一初级梁112的转角；为第二初级梁113的转角；为移动件100的转角；

获得力平衡方程为：

，

其中，为无量纲化处理后的扭矩，为无量纲化处理后中间块111沿移动件100轴向的厚度；

结合方程式（1）、（2）和（3），获得带有四个未知参数的方程组：

；

方程组（4）解得

；

将方程式（5）与（2）带入方程式（1）可得

；

当设计参数满足时，方程式（6）换算获得

；

方程式（7）换算至无量纲化处理前为：

；

其中, ，为无量化处理前的中间块111沿移动件100轴向的厚度；为杨氏模量；为无量化处理前的驱动力；为无量纲化处理前移动件100沿垂直于移动件100轴向的位移；

通过改变刚度系数调整的三项系数，以实现柔顺机构的非线性解耦设计。

本发明实施例的柔顺机构设计方法，提供一种柔顺机构的非线性解耦设计。在不改变位移-驱动力关系中一次项（弹簧系数常数项）的基础上，通过调节引入的参数可以直接调节三次项非线性项的大小。本发明的移动件100通过弹性件200约束，通过改变弹性件200的设计参数，如改变其长度、宽度、高度等，或者通过选用特定材料的弹性件，材料的弹性模量随温度以及磁场变化而引起弹性件200的刚度变化，以此设计和调节弹性件200即可实现对移动件100的位移-驱动力非线性关系的调节，且基本不影响线性项的大小，解决了现有技术中柔顺机构500设计时，三次项系数仅能通过改变梁厚度实现，但改变梁厚度的同时就会改变截面惯性矩，从而改变一次项系数，因此各个参数耦合在一起为设计带来困难的问题，有利于设计实现理想位移-驱动力曲线的非线性柔顺机构。

上述实施例中，所有大写字母代表无量纲化前参数，小写字母代表无量纲化后参数。本弹性件的刚度系数受到弹性件200的材料、长度、厚度等影响。

根据本发明提供的一个实施例，所有平动和长度参数由第一初级梁112和第二初级梁113的长度之和无量纲化，力由无量纲化，动量由无量纲化，刚度系数由无量纲化；与分别代表杨氏模量与截面惯性矩。本实施例中，上述所有参数在运算推导前均采用无量纲化处理。

如图4所示，本发明实施例还提供一种磁阻电机的设计方法，应用于如上述实施例的磁阻电机，包括：

获取磁路组件300中动子310的力-位移曲线关系为，获取磁路组件300中动子310的电机常数-位移曲线为，其中，为动子位移；

确定柔顺机构500的力-位移关系为，根据和，并通过设定工作点等效刚度的允许波动范围，求局部最优；

根据局部最优，结合柔顺机构500的力-位移表达式，反解柔顺机构500的设计参数。

所设计的非线性柔顺机构可使磁阻电机系统的等效刚度在较大范围内保持不变，相对于带有线性机构的磁阻电机系统大大减少了谐振频率的波动，补偿了系统固有的非线性；此外非线性柔顺机构扩展了等效刚度大于0的范围，因此也提升了系统开环稳定的范围。

根据本发明的一个实施例，确定柔顺机构500的力-位移关系为根据，并通过设定工作点等效刚度的允许波动范围，求局部最优，包括：

确定柔顺机构500的力-位移关系为，根据，并通过设定工作点等效刚度的允许波动范围，求取优化的系数，获取局部最优解，其中工作点的等效刚度

；

根据局部最优，结合柔顺机构500的力-位移表达式，反解柔顺机构500的设计参数，包括：

根据局部最优解，结合柔顺机构500的力-位移表达式为，反解初级梁与运动刚度调节件210的设计参数，其中，为施加在柔顺机构500的中间块111上的力，是中间块111产生的位移，为初级梁材料的杨氏模量，为初级梁的截面惯性矩，为初级梁的长度，为初级梁的厚度，为运动刚度调节件210产生的等效约束刚度，为运动刚度调节件210的杨氏模量，为运动刚度调节件210的高度，为运动刚度调节件210的厚度，为运动刚度调节件210的长度。

本实施例中，初级梁是指第一初级梁112或第二初级梁113。

本实施例中，设柔顺机构500的力-位移关系为，磁路组件300中动子310的力-位移曲线关系为，磁路组件300中动子310的常数-位移曲线为，其中代表动子位移，则由牛顿第二定律可列写磁路组件300与柔顺机构500构成系统的微分方程：

；

其中代表电机与动子310的等效质量，代表施加在线圈320上的电流；在位移点一阶泰勒展开得：

；

工作点平衡电流，因此工作点等效刚度为

。

等效质量不变的情况下，等效刚度随位移变化会引起系统谐振频率的变化，为精密运动控制带来困难；因此设计目标为，通过设计的一次项系数与三次项系数，使得工作点等效刚度在较大范围内变化幅度较小。

根据所设计的磁路组件300模型，获取磁路组件300中动子310的力-位移曲线关系为与磁路组件300中动子310的常数-位移曲线为，获取方法可以是从理论公式推导而来，也可以利用Comsol、Ansys等软件进行仿真获得一系列散点，并通过多项式拟合得到曲线，也可以通过实验获得一系列散点，并通过多项式拟合得到曲线。

设计柔顺机构500的力-位移关系，设，其中分别为柔顺机构500的力-位移关系中的一次项系数与三次项系数；则设计柔顺机构500的力-位移关系本质上为设计两个系数。由之前分析得，当磁路组件300中动子310的力-位移曲线关系为与磁路组件300中动子310的常数-位移曲线为确定时，工作点等效刚度可由系数与工作点位置唯一确定，且希望在较大范围内变化幅度较小。所以可以通过设定的允许波动范围，通过优化的方法求取优化的系数。

根据所采纳的系数，结合柔顺机构500的力-位移表达式为反解初级梁与运动刚度调节件210的设计参数，同时需要保证初级梁厚度远小于初级梁长度以保证小变形假设的成立。当运动刚度调节件210存在时，结果对位移约束件220的设计参数不敏感，故典型值可取位移约束件220长度为初级梁的1/2，其他参数不变。

根据本发明提供的一个实施例，确定柔顺机构500的力-位移关系为，根据，并通过设定的允许波动范围，求取优化的系数，获取局部最优解包括：

设定工作点等效刚度的上波动范围与下波动范围；

设定待优化值的初值与，通过quasi-newton 算法求解使得最大的局部最优解，其中，为满足条件的取值范围长度；

判断局部最优解是否可行，若可行则根据局部最优解，结合柔顺机构500的力-位移表达式为

，反解初级梁与运动刚度调节件210的设计参数，若不可行则更改上波动范围与下波动范围和待优化值的初值，并重新进行优化求解。

人为给定的上波动范围与下波动范围，每给定一对系数都可通过解方程得到满足条件的取值范围，满足条件的取值范围长度即为优化目标函数。因此给定约束上波动范围与下波动范围，给定待优化值的初值，即可通过quasi-newton 算法求解优化问题使得最大的局部最优解。检查局部最优解是否可行，若可行则采纳，不可行则可更改上波动范围与下波动范围、给定待优化值的初值并重新进行优化求解。

根据本发明提供的一个实施例，判断局部最优解是否可行包括：

判断取值范围内对应工作点平衡电流是否超过电流限幅。

本实施例中，对局部最优解是否可行的判断方法采用将参数代入到公式中运算获得工作点的平衡电流，外界对磁阻电机供电电流具有一定限制，即电流限幅，在运算获得的磁阻电机实际所需的电流大于电流限幅时，则证明当前的局部最优解不可行，反之则代表可行。

在其它实施例中，对局部最优解是否可行的判断方法可运用类似的运算手段，算出相应的磁阻电机工作参数在于与实际限定参数进行比较，还可在实际工程测试中进行检测。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种磁阻电机，其特征在于：包括基座、磁路组件和柔顺机构，所述柔顺机构为具有非线性力-位移关系的柔顺机构，所述柔顺机构包括移动件和两个弹性件，两个所述弹性件的一端分别与所述移动件沿其轴向上的两端连接，两个所述弹性件的另一端均固定于所述基座，两个所述弹性件可沿所述移动件的轴向方向形变，所述磁路组件包括动子、线圈、磁铁和磁轭，所述线圈缠绕于所述磁轭，所述磁轭围绕所述磁铁设置，所述动子的两端分别设置两个所述磁轭，所述移动件与所述动子连接。

2.根据权利要求1所述的磁阻电机，其特征在于：所述弹性件包括运动刚度调节件，所述运动刚度调节件的轴向与所述移动件的轴向平行设置，所述运动刚度调节件位于所述移动件的端部的同侧或相对设置的两侧。

3.根据权利要求2所述的磁阻电机，其特征在于：位于所述移动件的端部的同侧的多个所述运动刚度调节件以所述移动件的轴向为轴对称设置。

4.根据权利要求2所述的磁阻电机，其特征在于：所述弹性件还包括两个位移约束件，两个所述位移约束件分别设置于所述移动件的两侧，所述位移约束件的轴向与所述移动件的轴向垂直设置。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的磁阻电机，其特征在于：所述移动件包括平行梁和两个端块，两个所述端块分别与所述平行梁的两端连接，两个所述弹性件分别与两个所述端块连接。

6.根据权利要求5所述的磁阻电机，其特征在于：所述平行梁包括中间块以及对称设置于所述中间块两侧的第一初级梁和第二初级梁，所述中间块与所述动子连接，所述第一初级梁和所述第二初级梁分别与两个所述端块连接。

7.根据权利要求6所述的磁阻电机，其特征在于：所述磁阻电机还包括传感器，所述传感器对应所述中间块设置，适于测量所述中间块的位移距离。

8.一种磁阻电机的设计方法，其特征在于：应用于权利要求7所述的磁阻电机，包括：

获取磁路组件中动子的力-位移曲线关系为，获取磁路组件中动子的电机常数-位移曲线为，其中，为动子位移；

确定柔顺机构的力-位移关系为，根据和，并通过设定工作点等效刚度的允许波动范围，求局部最优；

根据局部最优，结合柔顺机构的力-位移表达式，反解柔顺机构的设计参数。

9.根据权利要求8所述的磁阻电机的设计方法，其特征在于：所述确定柔顺机构的力-位移关系为 ，根据和，并通过设定工作点等效刚度的允许波动范围，求局部最优包括：

确定柔顺机构的力-位移关系为，根据和，并通过设定工作点等效刚度的允许波动范围，求取优化的系数和，获取局部最优解与， 其中工作点的等效刚度

；

所述根据局部最优，结合柔顺机构的力-位移表达式，反解柔顺机构的设计参数包括：

根据局部最优解与，结合柔顺机构的力-位移表达式为

，反解初级梁与运动刚度调节件的设计参数，其中，为施加在柔顺机构的中间块上的力，是中间块产生的位移，为初级梁材料的杨氏模量，为初级梁的截面惯性矩，为初级梁的长度，为初级梁的厚度，为运动刚度调节件产生的等效约束刚度，为运动刚度调节件的杨氏模量，为运动刚度调节件的高度，为运动刚度调节件的厚度，为运动刚度调节件的长度。

10.根据权利要求9所述的磁阻电机的设计方法，其特征在于：所述确定柔顺机构的力-位移关系为，根据和，并通过设定的允许波动范围，求取优化的系数和，获取局部最优解与包括：

设定工作点等效刚度的上波动范围与下波动范围；

设定待优化值的初值与，通过quasi-newton 算法求解使得最大的局部最优解与，其中，为满足条件的取值范围长度；

判断局部最优解与是否可行，若可行则根据局部最优解与，结合柔顺机构的力-位移表达式为，反解初级梁与运动刚度调节件的设计参数，若不可行则更改上波动范围与下波动范围和待优化值的初值与，并重新进行优化求解。

11.根据权利要求10所述的磁阻电机的设计方法，其特征在于：所述判断局部最优解与是否可行包括：

判断取值范围内对应工作点平衡电流是否超过电流限幅。