一种激励式穿入器的制作方法

本发明属于星球探测器领域，具体地说是一种激励式穿入器。

背景技术：

在太空探测任务中，其中一项重要的探测任务是直接探测星球的地质特性，这些特性的了解旨在预测探测车的运动性能、着陆器受力、行星演变及发现新资源，需要科学仪器和其他底层设备与星球的直接接触。穿入器具有体积小，质量轻，工作效率高等特点，具有非常好的应用前景。

目前，对星球的地质特性获取主要通过旋转钻来进行采样分析。旋转钻安装于探测车上，钻取过程中，探测车需要保持静止，并提供正压力；钻取中产生的振动易对探测车产生影响，且功耗大、体积大。撞击式穿入器对自身材料有要求，需要承受高的峰值冲击力，且在达到疲劳寿命后出现失效，无法进行工作。激励式穿入器依靠系统内力以及与外环境间的摩擦力来驱动，采用直线驱动方式，给线圈供电后可持续进行工作，而无需考虑疲劳寿命问题。

技术实现要素：

针对上述穿入器存在的问题，本发明的目的在于提供一种激励式穿入器。该激励式穿入器体积小、质量轻、功耗低、工作寿命长，采用自驱动方式，放置目的区域，线圈供电后，即可在内部电磁力作用下穿入星球表面，并将检测数据无线传回至探测车。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括不动的定子部分和沿穿入器轴向往复运动的动子部分，其中定子部分包括端盖、末端载荷舱、外壳、钻头及线圈绕组，该端盖、末端载荷舱、外壳及钻头依次相连，所述线圈绕组容置于外壳内、两端分别与末端载荷舱的下端及外壳下端的内部相抵接，所述线圈绕组包括多个垫圈及多个线圈，该垫圈与线圈数量相同、且沿外壳的轴向间隔排列；所述动子部分为磁钢组，容置于线圈绕组内，该磁钢组包括挡片、多个磁钢及多个导磁垫片，相邻两磁钢之间均设有一导磁垫片，位于最上端的磁钢与所述挡片相连；所述末端载荷舱中分别容置有实验设备及电源，该实验设备安装在端盖上，所述电源分别为该实验设备及线圈绕组进行供电。

其中：位于奇数的各所述线圈为第一供电线圈组，同时供有相反方向的电流，位于偶数的各所述线圈为第二供电线圈组，同时供有相反方向的电流；各所述垫圈与各线圈均为圆环形、内外径均相同，且各垫圈及各线圈的外径与所述外壳的内孔直径相同，各垫圈及各线圈的内径与所述磁钢组的直径相同；所述磁钢与导磁垫片的端面均为圆形，且直径相同，各所述磁钢极性相同相对设置；

所述挡片的端面为圆形，直径与磁钢、导磁垫片的直径相同，在该挡片的外圆周面上对称设有两个凸部，该凸部为所述挡片的外圆周面沿径向向外延伸而成；所述末端载荷舱的下端对称开有两个凹槽，每个凹槽对应一个凸部，所述挡片插设于末端载荷舱，所述凸部插入凹槽中，在所述磁钢组沿轴向往复移动过程中，该凸部在凹槽中往复运动；两所述凸部沿圆周方向均布，两凸部之间的连线经过所述挡片的中心；所述末端载荷舱的下端为中空的圆柱，该圆柱的内径与挡片的外径相同，两所述凹槽沿圆周方向均布；

所述磁钢组的轴向长度大于线圈绕组的轴向长度，该磁钢组的两端分别由所述线圈绕组的两端伸出；所述挡片、磁钢及导磁垫片同轴连接，且所述磁钢组的轴向中心线与线圈绕组的轴向中心线共线；每个所述导磁垫片的运动行程均位于相邻两线圈之间；

所述末端载荷舱为中空圆柱、内设有支撑电源的带孔平台，该末端载荷舱的下端直径小于上端直径，直径小的下端外径与所述外壳的内径相同、插入外壳的上端并固接，直径大的上端外径与所述外壳的外径相同；所述钻头的上端插入外壳的下端内，并与该外壳的下端螺纹连接；

所述端盖的轴向截面为“t”形，该“t”形横竖两边形成的止口与所述末端载荷舱的上端卡接，所述“t”形的竖边插入末端载荷舱的上端并固接。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明采用激励方式，在电磁力作用下穿入星球表面，结构简单、体积小、质量轻，输出力大，功耗低。

2.本发明通过调整磁钢间的导磁垫片的厚度，从而产生强气隙磁场，当线圈处于其中时，所受磁场力较大，提高了能量的利用率。

3.本发明驱动的实现通过激励方式，无需设计复杂机构，考虑疲劳寿命，具有较长的寿命。

附图说明

图1为本发明的外部结构示意图；

图2为本发明的内部结构剖视图；

图3为本发明的磁钢组和线圈绕组的结构示意图；

图4为图3的剖视图；

图5为图2中挡片的结构示意图；

图6为图2中末端载荷舱的结构示意图；

图7为图6的剖视图；

图8为图2中端盖的结构示意图；

其中：1为紧定螺钉，2为实验设备，3为末端载荷舱，4为磁钢，5为导磁垫片，6为钻头，7为端盖，8为电源，9为挡片，10为垫圈，11为线圈，12为外壳，13为磁钢组，14为线圈绕组，15为凸部，16为凹槽，17为通孔，18为螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1、图2所示，本发明包括不动的定子部分和沿穿入器轴向往复运动的动子部分，其中定子部分包括端盖7、实验设备2、末端载荷舱3、电源8、外壳12、钻头6及线圈绕组14，该端盖7、末端载荷舱3、外壳12及钻头6依次相连。

如图2、图7及图8所示，端盖7的轴向截面为“t”形，该“t”形横竖两边形成的止口与末端载荷舱3的上端卡接，“t”形的竖边插入末端载荷舱3的上端，在“t”形竖边的圆周上均布有三个螺纹孔18，与末端载荷舱3上均布的三个通孔17通过紧定螺钉1固接。末端载荷舱3为中空圆柱、内设有支撑电源8的带孔平台，该末端载荷舱3的下端直径小于上端直径，直径小的下端外径与外壳12的内径相同、插入外壳12的上端并通过环氧树脂胶进行粘接，直径大的上端外径与外壳12的外径相同，三个通孔17在末端载荷舱3的上端沿圆周方向均匀开设。钻头6的上端为含有退刀槽的外螺纹，外壳12的下端攻有与之旋合的内螺纹，钻头6的上端与外壳12的下端通过螺纹进行连接。末端载荷舱3中分别容置有实验设备2及电源8，该实验设备2固接在端盖7上，成为定子的一部分；电源8固定在末端载荷舱3内的带孔平台上，分别为实验设备2及线圈绕组14进行供电。本发明的实验设备2为现有技术，包含热流计、磁力计、湿度传感器、密度计、辐射传感器等，且远离受力较大区域，减小对设备的影响，可直接探测星球的地质特性。

如图2、图3及图4所示，线圈绕组14容置于外壳12内、两端分别与末端载荷舱3的下端及外壳12下端的内部相抵接，线圈绕组14包括多个垫圈10及多个线圈11，该垫圈10与线圈11数量相同、且沿外壳12的轴向间隔排列。各垫圈10与各线圈11均为圆环形、内外径均相同，且各垫圈10及各线圈11的外径与外壳12的内孔直径相同，各垫圈10及各线圈11的内径与磁钢组13的直径相同。垫圈10与线圈11通过胶粘结固定。位于奇数的各线圈11为第一供电线圈组，同时供有相反方向的电流，位于偶数的各线圈11为第二供电线圈组，同时供有相反方向的电流。本实施例垫圈10及线圈11均为九个，排在第一、三、五、七、九的线圈11为第一供电线圈组，通过修改绕组时相邻线圈的绕向，实现同时供有相反方向的电流；排在第二、四、六、八的线圈为第二供电线圈组，通过修改绕组时相邻线圈的绕向，实现同时供有相反方向的电流。通过控制两组线圈通电流时间和电流大小，来实现激励式穿入器的整个运动周期。

动子部分为磁钢组13，磁钢组13与线圈绕组14为装配关系，线圈绕组14位于磁钢组13的外部与外壳12之间；磁钢组13的轴向长度大于线圈绕组14的轴向长度，该磁钢组13的两端分别由线圈绕组14的两端伸出。磁钢组13的外径与线圈绕组14的内径相同，可沿轴向往复运动。磁钢组13包括挡片9、多个磁钢4及多个导磁垫片5，相邻两磁钢4之间均设有一导磁垫片5，位于最上端的磁钢4与挡片9固接。磁钢4与导磁垫片5的端面均为圆形，且直径相同，各磁钢4极性相同相对设置。本实施例的磁钢4为五个，导磁垫片5为四个，相邻磁钢4同性磁极相对安装，中间通过导磁垫片5进行间隔，从而形成强气隙磁场。磁钢4、导磁垫片5和挡片9同轴连接，且磁钢组13的轴向中心线与线圈绕组14的轴向中心线共线。每个导磁垫片5的运动行程均位于相邻两线圈11之间。

如图5、图6所示，挡片9的端面为圆形，直径与磁钢4、导磁垫片5的直径相同，在该挡片9的外圆周面上对称设有两个凸部15，该凸部15为挡片9的外圆周面沿径向向外延伸而成；两凸部15沿圆周方向均布，两凸部15之间的连线经过挡片9的中心。末端载荷舱3的下端为中空的圆柱，该圆柱的内径与挡片9的外径相同，末端载荷舱3的下端对称开有两个凹槽16，两凹槽16沿圆周方向均布；每个凹槽16对应一个凸部15，挡片9插设于末端载荷舱3，凸部15插入凹槽16中，在磁钢组13沿轴向往复移动过程中，该凸部15在凹槽16中往复运动。

本发明的工作原理为：

各磁钢4同性磁极相对放置，调整导磁垫片5的厚度，产生聚磁作用，使位于磁钢4之间的导磁垫片5形成反向的强气隙磁场。初始状态，动子部分于外壳12的下端；此时，在图4中由左边数排在第二、四、六、八的线圈11分别与四个导磁垫片5相对应。开始工作后，第二、四、六、八的线圈11位于四个导磁垫片5磁场较强的区域，给第一供电线圈组通电流，由于绕组时已控制相邻线圈绕向，实现电流方向的控制，使第一供电线圈组每个线圈均受到向下的磁场力，动子部分受到相反方向的磁场力，反向运动。当动子部分运动到行程的一半时，第二、四、六、八线圈11离开四个导磁垫片5，而四个导磁垫片5开始逐渐运动到与第三、五、七、九线圈11相对应；此时，给第二供电线圈组通电流，控制电流方向，保持定子始终受到向下磁场力，直至行程结束。动子部分反行程运动的过程与上述类似，动子部分位于最上端；此时，第三、五、七、九线圈11分别与四个导磁垫片5对应；改变第二供电线圈组的电流方向，使动子受磁场力反向运动。当动子运行到行程的一半时，第三、五、七、九线圈11离开四个导磁垫片5，而四个导磁垫片5开始逐渐运行到与第二、四、六、八线圈11相对应；此时，给第一供电线圈组供电，控制电流大小和方向，保证动子部分同向持续运动，直至初始状态位置，完成一个运动周期。

本发明可以通过增加线圈绕组和磁钢组的数量，从而实现更大的驱动力。需要保证间隔线圈电流方向产生的磁场与强气隙磁场的关系，才可以使线圈绕组中每个线圈产生的磁场力都同向，而不会抵消，从而实现驱动力的改变。