专利名称：用于直线电机的电磁-永磁箝位机构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种电磁电机技术领域的装置，具体是一种用于直线电机的 电磁-永磁箝位机构。
背景技术：
近些年来，电、磁致伸缩驱动技术发展迅速，产生了如巨磁致伸缩材料、电陶瓷以 及磁致伸缩形状记忆合金等智能材料。这些智能材料具有能量密度大，输出功率高，伸缩形 变精确等优点，因此基于这些智能材料可以研发高性能驱动器和直线电机。但是基于智能 材料研制的直线电机普遍存在运动步距微小、运动速度缓慢，大行程位移所需时间长，以及 驱动电压或电流要求高等缺陷。特别是对于尺蠖运动类直线电机，由于没有性能匹配的箝 位机构，而使的智能材料的大输出应力性能不能够得到充分发挥，致使这类电机不能用于 大负载和超大负载驱动、传动的应用领域。经对现有技术的文献检索发现，Jaehwan Kim等在《Mechatronics》(机械电子学 期刊，2002年第12期第525-542页)上发表的论文A hybrid inchworm linear motor (混 合式尺蠖运动直线电机)，该直线电机的设计基于尺蠖运动机理，由一个磁致伸缩机构和两 个压电伸缩机构组成；磁致伸缩机构用来产生尺蠖运动直线位移，两个压电伸缩机构作为 尺蠖箝位机构产生箝位动作。所述磁致伸缩机构，包括磁致伸缩棒、电磁线圈、金属壳体、金 属端盖、弹簧压力机构，位移输出机构，位移杆；其大位移驱动的实现是通过多次磁致伸缩 激励所产生的微米级磁致伸缩位移累积而成。所述压电伸缩机构，包括压电材料片堆、复杂 柔性铰链放大机构、预紧力机构，激励电极。这种电机采用的压电箝位机构，由于其使用的是脆性压电材料，其抗挤压能力有 限，过大的箝位及压力会将压电材料压碎，致使箝位功能丧失，其作直线驱动的磁致伸缩机 构可产生超大输出应力的性能因此无法实现。
实用新型内容本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于直线电机的电磁-永磁 箝位机构，通过电磁特性，通过磁场发生装置及其对应电磁线圈对输出杆的卡紧、释放两种 状态，实现在无电情况下对输出杆的箝位卡紧，保持机构状态稳定不动。本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括导轨以及位于导轨内 部的输出杆以及至少一个磁场发生装置，其中磁场发生装置与导轨相连，输出杆位于导轨 的内部中心且与导轨同轴设置。所述的磁场发生装置为天然磁场发生装置或电磁磁场发生装置，其中天然磁场 发生装置由单组或若干组并列的永磁体、永磁-铁磁复合体或永磁-非铁磁复合体制成；电 磁磁场发生装置为单组或若干组并列的偏摆电磁线圈和结构材料体构成。当所述的导轨及输出杆为非导磁材料制成时，在所述电磁磁场发生装置的外侧设 有电磁线圈或永磁环体；
3[0009]当所述的导轨及输出杆为导磁材料制成时，则无需电磁线圈，所述电磁磁场发生 装置所需的偏摆动作由偏摆电磁线圈所产生的电磁场吸力吸附导轨及输出杆实现；所述的磁场发生装置上设有偏摆位置导向体；所述的磁场发生装置上设有转动轴，该转动轴与导轨固连，磁场发生装置相对转 动轴旋转；所述的输出杆具体为单根刚性杆或线缆或多根由中间伸缩膨胀体串联连接的刚 性杆或线缆。所述的导轨内设有移动体，该移动体位于输出杆和导轨之间且当所述磁场发生装置的个数为一个时则该移动体与磁场发生装置相对设置于输 出杆的两侧；当所述磁场发生装置的个数为两个以上时则该移动体位于输出杆和导轨之间的 两个磁场发生装置之间。所述的移动体为刚性材料或弹性材料制成。本装置通过以下方式进行工作初始状态下，磁场发生装置、电磁线圈和输出杆组配后放入导轨中间。在电磁线圈 未通电时，磁场发生装置为自由状态，输出杆可以被向左或左右滑动拖动。本实用新型工作 时，给沿输出杆对称放置的电磁线圈通电产生磁场，该磁场将激励线圈中的磁场发生装置 磁极偏转，致使磁场发生装置在长度方向上与导轨和输出杆抵触，此时，输出杆的位置被限 定不动，并且输出杆由于电磁力的作用不易向左推动。而且，由于磁场发生装置与输出杆和 导轨接触面间的摩擦力，并同时伴有电磁力作用，当输出杆被向右拖动时，磁场发生装置将 会被带动进一步旋转。然而，由于磁场发生装置长度方向尺寸大于输出杆和导轨之间的距 离，所以磁场发生装置会随着拖动力而卡在输出杆和导轨之间，并且拖动力越大、卡紧力越 大。尤其是当导轨、输出杆和磁场发生装置都为刚性体时，该卡紧箝位力可以随着该拖动力 增大而增大，直至其中任何一个受力件的强度极限为止。这样，输出杆被牢牢卡紧在导轨中 间。此时，输出杆处于箝位卡紧状态，并能产生巨大的箝位力，当对输出杆处于箝位卡紧状态时的电磁线圈施加与之前相反的电流，产生的反向 磁场将激励磁场发生装置的磁极反向旋转，致使磁场发生装置在长度方向上偏离开与导轨 和输出杆的接触面，恢复到初始状态，输出杆可以左右移动。与一个中间伸缩膨胀体固连，而构成一个尺蠖运动直线电机。基于本实用新型所 述的箝位卡紧机构的工作原理，可以交替控制直线电机的左箝位卡紧机构卡紧，右箝位卡 紧机构释放，此时中间伸缩膨胀体伸长会推动右端的输出杆向右端移动；之后，控制右箝位 卡紧机构卡紧，释放左箝位卡紧机构，然后收缩中间伸缩膨胀体，此时由于电机右端卡紧， 左端释放，所以电机中间膨胀体即电机整体，将随着中间伸缩膨胀体的收缩而向右移动。重 复以上过程，该电机将会单次移动位移累加，变成一个可长距离移动的直线电机。并且，通 过控制电机的左和右端箝位的先后次序，可以实现该电机的往复运动。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点1.机构简单，组成部件少，可以实现 巨大的箝位卡紧力；2.电磁信号控制，箝位和电机运动控制灵敏、方便；3.可以广泛用于多 种需要箝位卡紧机构领域。4.驱动箝位过程能耗低，具有无能耗卡紧性能。本实用新型的机构可用于研制要求产生超大箝位力、大位移、高精度驱动功能的仪器和设备，以及对现有电、磁致伸缩驱动材料应用设备、仪器的改进，可广泛应用于驱动 器(致动器)、制动器、传感器、电机、振动及控制设备、机器人、精密制造、生物医学工程等 领域。
图1为箝位卡紧机构卡紧状态及结构示意图；图2为箝位卡紧机构初始或释放状态及结构示意图；图3为两个以上磁场发生装置和线圈对称输出杆布置组合而成的锁紧装置结构 示意图；图4为分别为采用三种箝位卡紧机构和锁紧装置的直线电机结构形式示意图；图5磁场发生装置为电磁体的箝位卡紧机构示意图(导轨和/或输出杆为导磁材 料情况)；图6磁场发生装置为电磁体的箝位卡紧机构示意图(导轨和/或输出杆为非导磁 材料情况)；图7磁场发生装置为一个以上多粒结构制成的磁场发生装置示意图；图8磁场发生装置为一个以上多个并行体制成的磁场发生装置示意图；图9分别为箝位卡紧机构中输出杆一侧为磁场发生装置另一侧为移动体或弹性 体结构示意图；图10箝位卡紧机构的导轨和磁场发生装置之间设有与导轨刚性连接的限位体， 磁场发生装置设有转动轴的结构示意图。
具体实施方式
下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限 于下述的实施例。实施例1如图1所示，本实施例包括导轨1以及位于导轨1内部的输出杆2以及一个磁场 发生装置3及其对应电磁线圈4，其中电磁线圈4固定于导轨1内壁，电磁线圈4套接于磁 场发生装置3外部且磁场发生装置3位于电磁线圈4的中心位置，输出杆2位于导轨1的 内部中心且与导轨1同轴设置。所述的输出杆2为单根或多根由中间伸缩膨胀体串联连接的刚性杆、线缆或钢缆。所述的磁场发生装置3为永磁材料、永磁-铁磁复合材料或永磁-非铁磁复合材 料制成。如图1所示，初始状态下，磁场发生装置3、电磁线圈4和输出杆2组配后放入导 轨1中间。在电磁线圈未通电时，磁场发生装置3为自由状态，输出杆2可以被向左或左右 滑动拖动。本实用新型工作时，给沿输出杆2对称放置的电磁线圈4通电产生磁场H，该磁 场H将激励线圈2中的磁场发生装置3的磁极偏转，致使磁场发生装置3在长度方向上与 导轨1和输出杆2抵触，如图2所示。此时，输出杆2的位置被限定不动，并且输出杆2由于电磁场H的电磁力的作用不易向左推动。而且，由于磁场发生装置3与输出杆2和导轨1 接触面间的摩擦力，并同时伴有电磁力作用，当输出杆2被向右拖动时，磁场发生装置3将 会被摩擦带动进一步旋转。然而，由于磁场发生装置3长度方向尺寸大于输出杆2和导轨 1之间的距离，所以磁场发生装置会随着拖动力而卡在输出杆2和导轨1之间，并且拖动力 越大、卡紧力越大。尤其是当导轨1、输出杆2和磁场发生装置3都为刚体时，该卡紧箝位力 可以随着该拖动力增大而增大，直至其中任何一个受力件的强度极限为止。这样，输出杆2 被牢牢卡紧在导轨1中间。此时，输出杆2处于箝位卡紧状态，并能产生巨大的箝位力，如 图1所示。当对输出杆2处于箝位卡紧状态时的电磁线圈4施加与之前相反的电流，产生的 反向磁场H将激励磁场发生装置3的磁极反向旋转，致使磁场发生装置3在长度方向上偏 离与导轨1和输出杆2的接触面，如图1所示，恢复到初始状态，输出杆2可以左右移动，实 现卡紧释放状态，如图2所示。至此，本实用新型实现了一种由一个输出杆2、两个电磁线圈 4、两个磁场发生装置3置于一个导轨1中间组成一个单向的箝位卡紧机构5。如图3所示，所述的磁场发生装置3和电磁线圈4，可以为两个以上对称输出杆2 布置，基于上述的工作原理，该输出杆2可以被卡紧，在左右两个方向上都不能拖动，并且 卡紧力巨大。同样，通过电磁控制可以实现卡紧和释放两种状态的箝位卡紧机构5，且在无 电情况下该箝位卡紧机构5可以实现箝位卡紧，保持机构状态稳定不动，实现双向箝位卡 紧。实施例2如图4(a)至图4(c)所示，本实施例涉及一种尺蠖运动直线电机，包括两个或两 个以上通过中间伸缩膨胀体6串联的电磁-永磁箝位机构5，该直线电机可以交替控制如图 4和图5的直线电机的左箝位卡紧机构5卡紧，右箝位卡紧机构5释放，此时中间伸缩膨胀 体6伸长时会推动右端的输出杆2向右端移动；之后，控制右箝位卡紧机构5卡紧，释放左 箝位卡紧机构5，然后收缩中间伸缩膨胀体6，此时由于电机右端卡紧，左端释放，所以电机 中间膨胀体6也即电机整体，将随着中间伸缩膨胀体6的收缩而向右移动。重复以上过程， 该电机将会将单次移动位移累加，变成一个可长距离移动的直线电机。并且，通过控制电机 的左和右端箝位的先后次序，可以实现该电机的往复运动。实施例3如图5和图6所示，本实施例包括导轨1以及位于导轨1内部的输出杆2以及一 个以上电磁场发生装置7，其中电磁场发生装置7位于导轨1内侧，一个电磁场发生装置7 或一个以上电磁场发生装置7相对输出杆2布置，且整体置于导轨1的内部。如图5所示，当导轨1和/或输出杆2为导磁材料制成时，电磁磁场发生装置7外 侧无需电磁线圈4。电磁磁场发生装置7所需的偏摆动作由偏摆电磁线圈8所产生的电磁 场吸力吸附导轨1和/或输出杆2来实现；如图6所示，当导轨1和/或输出杆2为非导磁材料制成时，电磁磁场发生装置7 外侧设有电磁线圈4或永磁环体10。此时，电磁磁场发生装置7所需的偏摆动作由偏摆电 磁线圈8所产生的电磁场与电磁线圈4和/或永磁环体10磁力的复合作用来实现。如图7所示，所述的电磁磁场发生装置7为偏摆电磁线圈8和结构材料体9构成， 这些小的磁场发生装置3或电磁磁场发生装置7在不存在电磁场H时为松弛状态，当产生电磁场H时则沿电磁场方向紧密排列，实现箝位卡紧功能。如图8所示，所述的磁场发生装置3或电磁磁场发生装置7为多个并列，该磁场发 生装置3或电磁磁场发生装置7可实现实施例1和2相同的功能但具有更大的电磁力。实施例4如图9(a)、9(b)所示，本实施例中的导轨1内设有移动体11，该移动体11位于输 出杆2和导轨1之间且当所述磁场发生装置3的个数为一个时则该移动体与磁场发生装置相对设置于 输出杆的两侧；当所述磁场发生装置3的个数为两个以上时则该移动体位于输出杆和导轨之间 的两个磁场发生装置之间。所述的移动体11为滚动体12或滑动体13，通过电磁控制磁场发生装置3或电磁 磁场发生装置7即能实现箝位卡紧和释放并实现尺蠖电机功能。所述的移动体11为弹性材料制成时，通过控制磁场发生装置3或电磁磁场发生装 置7沿逆时针偏转并挤压输出杆2致使移动体11 (滚动体12或滑动体1 受压而弹性变 形，那么随着磁场发生装置3或电磁磁场发生装置7的摆转动，在接触摩擦力作用下，输出 杆2会向右端移动一定距离，如图9(a)、9(b)中虚线所示。那么当控制磁场发生装置3或 电磁磁场发生装置7往复或360度逆时针旋转时，输出杆2将实现连续的向右端移动的效 果，从而实现一种对于输出杆2的直线长行程运动及直线电机的效果。鉴于这种效果，根据如图2、3所示的单、双向卡紧机构也可以实现这种对于输出 杆2的直线长行程运动及直线电机的效果。只是要通过电控实现输出杆2 —侧的磁场发生 装置3或电磁磁场发生装置7的偏转程度，使其从效果上具有上述移动体(滚动体12 (如 0 9(a))或滑动体13 (如图9(b))的弹性作用。所述的移动体11为刚性材料或弹性材料制成。实施例5如图10所示，本实施例中所述的磁场发生装置3上设有偏摆位置导向体14，该偏 摆位置导向体14有助于磁场发生装置3或电磁磁场发生装置7偏转稳定，没有间隙晃动， 致使箝位卡紧机构以至于电机运动更加平稳。如图10所示，所述的磁场发生装置3上设有转动轴15，转动轴15与导轨1固定连 接且磁场发生装置3相对转动轴15旋转。磁场发生装置3或电磁磁场发生装置7偏转稳 定，没有间隙晃动，致使箝位卡紧机构5以至于电机运动更加平稳。
权利要求1.一种用于直线电机的电磁-永磁箝位机构，其特征在于，包括导轨以及位于导轨内 部的输出杆以及至少一个磁场发生装置，其中磁场发生装置与导轨相连，输出杆位于导轨 的内部且沿导轨轴向设置。
2.根据权利要求1所述的用于直线电机的电磁-永磁箝位机构，其特征是，所述的磁场 发生装置为天然磁场发生装置或电磁磁场发生装置，其中天然磁场发生装置由单组或若 干组并列的永磁体、永磁-铁磁复合体或永磁-非铁磁复合体制成；电磁磁场发生装置为单 组或若干组并列的偏摆电磁线圈和结构材料体构成。
3.根据权利要求2所述的用于直线电机的电磁-永磁箝位机构，其特征是，当所述的导 轨及输出杆为非导磁材料制成时，在所述电磁磁场发生装置的外侧设有电磁线圈或永磁环 体；当所述的导轨及输出杆为导磁材料制成时，则无需电磁线圈，所述电磁磁场发生装置所 需的偏摆动作由偏摆电磁线圈所产生的电磁场吸力吸附导轨及输出杆实现。
4.根据权利要求1所述的用于直线电机的电磁-永磁箝位机构，其特征是，所述的磁场 发生装置上设有偏摆位置导向体。
5.根据权利要求1所述的用于直线电机的电磁-永磁箝位机构，其特征是，所述的磁场 发生装置上设有转动轴，该转动轴与导轨固连，磁场发生装置相对转动轴旋转。
6.根据权利要求1所述的用于直线电机的电磁-永磁箝位机构，其特征是，所述的输出 杆具体为单根刚性杆或线缆或多根由中间伸缩膨胀体串联连接的刚性杆或线缆。
7.根据权利要求1所述的用于直线电机的电磁-永磁箝位机构，其特征是，所述的导轨 内设有移动体，该移动体位于输出杆和导轨之间。
8.根据权利要求7所述的用于直线电机的电磁-永磁箝位机构，其特征是，所述的移动 体具体位置为当所述磁场发生装置的个数为一个时则该移动体与磁场发生装置相对设置 于输出杆的两侧；当所述磁场发生装置的个数为两个以上时则该移动体位于输出杆和导轨 之间的两个磁场发生装置之间。
9.根据权利要求1所述的用于直线电机的电磁-永磁箝位机构，其特征是，所述的移动 体为刚性材料或弹性材料制成。
10.一种尺蠖运动直线电机，其特征在于，包括两个或两个以上通过中间伸缩膨胀体串 联的如上述任一权利要求所述的电磁-永磁箝位机构。
专利摘要一种电磁直线电机技术领域的用于直线电机的电磁-永磁箝位机构，包括导轨以及位于导轨内部的输出杆以及至少一个磁场发生装置，磁场发生装置与导轨相连，输出杆位于导轨的内部中心且与导轨同轴设置。本实用新型通过电磁特性通过磁场发生装置及其对应电磁线圈对输出杆的卡紧释放两种状态，实现在无电情况下对输出杆的箝位卡紧，保持机构状态稳定不动。
文档编号H02K41/02GK201869079SQ20102060379
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者杨斌堂 申请人:上海交通大学