一种超小型复合电磁驱动锁紧机构及控制方法与流程

1.本技术涉及航空航天技术领域，特别涉及一种超小型复合电磁驱动锁紧机构及控制方法。


背景技术：

2.目前调制机构是用于敏感体旋转调制的构件，通过调制机构精确控制惯性敏感体的旋转及扭矩，实现惯性产品的旋转调制导航及其误差抑制等功能，为实现上述功能，调制机构需要能够携带负载旋转按照指令要求转动或者定位锁定，还需具备在飞行、运输、贮存时实现可靠锁定，以及旋转调制工作状态下的平稳连续旋转能力，其中调制角速率一般选择20
°
/s量级。
3.在一些相关技术中，常见调制机构一般采用多级运动副，由轴、轴承、齿盘、负载支撑平面等部分组成；有的调制机构也采用蜗轮蜗杆传动，两者的优点是兼具传动和自锁功能。
4.另外，采用调制方案减小mems(micro electro mechanical system)器件参数重复性对导航精度的影响，是降低mems器件研制难度的有效手段，同时也是提升有效费比的技术途径。而传统调制机构中电机转速高，需要高传动比减速器，且机械传动构件占比高，要实现较好的功能和效能，会导致组成复杂，容易受热应力、多余物和长期使用磨损的影响，工作可靠性难以提升，难以满足系统轻质化低功耗的需求，所以微小型调制机构是解决以上问题的关键技术之一。
5.然而，微型调制机构的难点包括：
6.(1)常用电机输出转速大、扭矩大，远超过敏感体调制需求，为减速需要配备减速机、齿轮副等；虽然电机、减速机等可选最小型号的，但是其体积质量限制了进一步的轻质小型化，而且目前微型电机的来源均是国外进口，难以满足国产化需求；
7.(2)实现转位及锁紧功能，通常需要两套机构，每套机构均需要电机、减速机等，集成化难度大。
8.综上，如何优化设计保证微型调制机构转动力矩的条件下降低转速1～2个数量级，并减少机械传动部件，满足轻质小型化要求是急需要解决的问题。


技术实现要素：

9.本技术实施例提供一种超小型复合电磁驱动锁紧机构及控制方法，以解决相关技术中微型调制机构常用电机输出转速大、扭矩大，远超过敏感体调制需求，为减速需要配备减速机、齿轮副等，导致机械传动构件占比高，难以满足轻质小型化要求的问题。
10.第一方面，提供了一种超小型复合电磁驱动锁紧机构，其包括：
11.驱动组件；
12.主轴，其一端固设有摩擦板，另一端穿设所述驱动组件，并在驱动组件的磁力作用下带动负载旋转；
13.锁紧组件，其位于所述摩擦板和驱动组件之间，并沿所述主轴的周向分布；锁紧组件用于在断电后与所述摩擦板接触，以对主轴绕轴旋转方向的自由度进行约束；以及用于在通电后与所述摩擦板分离，以取消对主轴绕轴旋转方向的自由度的约束。
14.一些实施例中，所述驱动组件包括：
15.壳体，其一端封闭，另一端开口；壳体的封闭端固设有轴承，开口端设有盖板，盖板上也设有轴承；所述主轴穿设两个轴承，并通过两个轴承与壳体连接；
16.外磁齿轮，其固连在所述主轴上，并位于两个轴承之间；
17.内磁齿轮，其固设在壳体的内壁上，并且其内容置外磁齿轮；内磁齿轮用于改变磁性，以驱动主轴转动。
18.一些实施例中，所述驱动组件还包括：
19.超导磁层和衬套；超导磁层放置在外磁齿轮和内磁齿轮之间；
20.所述内磁齿轮与所述壳体之间放置有衬套。
21.一些实施例中，所述锁紧组件包括：
22.磁体弹片，其固接在所述驱动组件上；
23.电磁体，其安装在所述摩擦板内，并在通电后形成与磁体弹片相斥的磁力，以使磁体弹片远离所述摩擦板。
24.一些实施例中，所述摩擦板靠近磁体弹片的一面上设有多个安装方槽，安装方槽内设置所述电磁体；磁体弹片的数量为多个，并且成圆环形分布，该圆环的圆心位于所述主轴的轴心线上；
25.所述摩擦板远离磁体弹片的一面上设有锁紧座基体，锁紧座基体与主轴固连。
26.一些实施例中，所述摩擦板包括第一部分和第二部分，第一部分和第二部之间紧密连接所述电磁体；电磁体在所述摩擦板上的投影与磁体弹片在所述摩擦板上的投影部分重合。
27.一些实施例中，所述磁体弹片包括的第一弹性部和第二弹性部，第一弹性部与所述驱动组件固定连接，并且通过弹性弯折部与第二弹性部连接形成具有夹角的结构；
28.第二弹性部上设有永磁部，永磁部具有与所述摩擦板贴合的平面。
29.一些实施例中，所述锁紧组件包括：
30.电磁圈，其固定连接在所述驱动组件上
31.弹性永磁片，其一端固定连接在所述驱动组件上，且位于电磁圈的圈内；另一端弯折并向所述摩擦板延伸，以使该端在所述摩擦板上的投影与电磁圈在所述摩擦板上的投影部分重合；
32.电磁圈在通电后形成与弹性永磁片相吸的磁力，以使弹性永磁片远离所述摩擦板；电磁圈在断电后，弹性永磁片与所述摩擦板接触。
33.第二方面，提供了一种超小型复合电磁驱动锁紧机构的控制方法，其包括以下步骤：
34.获取控制信号，并对控制信号进行解读；
35.若解读的结果为锁紧命令，则使锁紧组件断电，锁紧组件接触摩擦板，主轴处于绕轴自由度约束状态；
36.若解读的结果为解锁命令，则使所述锁紧组件通电，锁紧组件远离摩擦板，主轴解
除绕轴自由度约束；
37.若解读的结果为驱动负载命令，则使所述锁紧组件持续通电，驱动组件得电形成的电磁力驱动主轴旋转。
38.一些实施例中，所述驱动组件包括：
39.壳体，其一端封闭，另一端开口；壳体的封闭端固设有轴承，开口端设有盖板，盖板上也设有轴承；所述主轴穿设两个轴承，并通过两个轴承与壳体连接；
40.外磁齿轮，其固连在所述主轴上，并位于两个轴承之间；
41.内磁齿轮，其固设在壳体的内壁上，并且其内容置外磁齿轮；内磁齿轮用于改变磁性，以驱动主轴转动；
42.若解读的结果为锁紧命令，则还需使所述驱动组件断电；
43.若解读的结果为解锁命令，则还需使所述驱动组件通电；
44.若解读的结果为驱动负载命令，则还需通过pwm控制外磁齿轮的转速，以控制主轴的转速。
45.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
46.本技术实施例提供了一种超小型复合电磁驱动锁紧机构及控制方法，由于主轴一端固设摩擦板，另一端穿设驱动组件，并在驱动组件的磁力作用下带动负载旋转；锁紧组件位于摩擦板和驱动组件之间，并沿主轴的周向分布；锁紧组件用于在断电后与摩擦板接触，以对主轴绕轴旋转方向的自由度进行约束；以及用于在通电后与摩擦板分离，以取消对主轴绕轴旋转方向的自由度的约束。
47.通过以上的设置使得驱动组件和锁紧组件是共轴的，高度集成为一个机构，在使用时锁紧组件在通断电后，其利用电磁产生相斥或相吸的力使得锁紧组件远离或抵持摩擦板，以限制主轴的转动，从而实现对主轴的锁止和解锁；避免减速机、齿轮副等传动结构，简化结构，从而可以满足轻质小型化要求。
48.在通过pwm控制驱动组件的外磁齿轮和内磁齿轮磁力作用，以改变主轴的转速，使得主轴的转位过程为非接触式传动；即根据驱动、锁紧力需求，自行设计主轴转速和输出力矩，满足调制需求，避免类似机械齿轮等接触式传动的内应力、磨损、润滑等问题，使用寿命长，可靠性高。
附图说明
49.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，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。
50.图1为本技术实施例提供的超小型复合电磁驱动锁紧机构的整体结构示意图；
51.图2为本技术实施例提供的超小型复合电磁驱动锁紧机构的半剖示意图；
52.图3为本技术实施例提供的超小型复合电磁驱动锁紧机构的横截面示意图；
53.图4为本技术实施例提供的没有盖板的超小型复合电磁驱动锁紧机构的示意图；
54.图5为本技术实施例提供的没有盖板和壳体的超小型复合电磁驱动锁紧机构的示意图；
55.图6为本技术实施例提供的主轴和外磁齿轮连接的结构示意图；
56.图7为本技术实施例提供的锁紧组件的结构示意图；
57.图8为本技术实施例提供的锁紧组件的另一视角的结构示意图；
58.图9为本技术实施例提供的锁紧组件的另一结构的示意图；
59.图10为本技术实施例提供的超小型复合电磁驱动锁紧机构的爆炸示意图。
60.图中：1、驱动组件；100、壳体；101、轴承；102、外磁齿轮；103、超导磁层；104、内磁齿轮；105、衬套；106、盖板；2、主轴；3、摩擦板；4、锁止空间；5、锁紧组件；500、磁体弹片；5001、第一弹性部；5002、第二弹性部；5003、弹性弯折部；5004、永磁部；501、电磁体；502、电磁圈；503、弹性永磁片。
具体实施方式
61.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
62.本技术实施例提供了一种超小型复合电磁驱动锁紧机构，以解决相关技术中微型调制机构常用电机输出转速大、扭矩大，远超过敏感体调制需求，为减速需要配备减速机、齿轮副等，导致机械传动构件占比高，难以满足轻质小型化要求的问题。
63.请参阅图1-图10，一种超小型复合电磁驱动锁紧机构，其包括：驱动组件1、主轴2、摩擦板3、锁止空间4和锁紧组件5。
64.其中，驱动组件1的主轴2的两端分别穿设其两端，主轴2的一端用于带动负载旋转；摩擦板3与主轴2的另一端固定连接，并且其与驱动组件1对应的一端之间形成锁止空间4；
65.锁紧组件5位于锁止空间4内；锁紧组件5用于在断电后与摩擦板3接触，以对主轴2绕轴旋转方向的自由度进行约束；以及用于在通电后与摩擦板3分离，以取消对主轴2绕轴旋转方向的自由度的约束。也就是说采用锁紧组件5在通电产生磁力后，其形状发生变化，以靠近或远离摩擦板3实现锁紧和解锁，通过电流的变化控制磁力大小。
66.其利用电磁产生相斥或相吸的力使得锁紧组件5与摩擦板3摩擦，避免减速机、齿轮副等传动结构，简化结构，相比较比传统惯组的旋转调制机构具备的体积和重量优势，从而可以满足轻质小型化要求。
67.通过pwm控制驱动组件1的磁力作用，以改变主轴2的转速，使得控制主轴2的转位过程为非接触式传动；即根据驱动、锁紧力需求，自行设计主轴2转速和输出力矩，满足调制需求，避免类似机械齿轮等接触式传动的内应力、磨损、润滑等问题，使用寿命长，可靠性高。
68.采用以上的结构保证在转动力矩的条件下降低转速1～2个数量级，并减少机械传动部件；采用锁紧组件的磁力变化后其形状发生变化，从而简化控制电路，实现驱动与锁紧集成一体化设计，提高可靠性，满足系统高密度集成及轻质化的要求。相比传统调制机构方案，具备集成度高、结构层级及驱动简单、可靠性高的优点，更有利于在轻质微小型惯导系统中的应用。
69.在一些优选的实施例中，对于锁紧组件5的具体结构进行以下说明，具体写明在通电后磁力对锁紧组件5的如何改变。
70.第一种，锁紧组件5的磁体弹片500和电磁体501分别设置在驱动组件1和摩擦板3上。如图5-图8所示。
71.锁紧组件5包括：磁体弹片500，其固定连接在驱动组件1的端部，且位于主轴2的外围；电磁体501，其安装在摩擦板3内，并在通电后形成与磁体弹片500相斥的磁力，以使磁体弹片500远离摩擦板3。
72.其中，磁体弹片500和电磁体501的具体形式也有以下的设置：
73.关于磁体弹片500的结构
74.磁体弹片500包括的第一弹性部5001和第二弹性部5002，第一弹性部5001与驱动组件1固定连接，并且通过弹性弯折部5003与第二弹性部5002连接形成具有夹角的结构；第二弹性部5002上设有永磁部5004，永磁部5004具有与电磁体501贴合的平面。其中磁体弹片500通过以上设置形成v型结构，第一弹性部5001、弹性弯折部5003和第二弹性部5002提供弹力，在受力后变形，失去力后复位。永磁部5004与电磁体501之间产生相斥的磁力，永磁部5004贴合摩擦板3时产生摩擦阻力。
75.关于电磁体501的结构
76.结构一，摩擦板3上的电磁体501裸露在外侧。
77.磁体弹片500呈圆环分布，该圆环的圆心位于主轴2的轴心线上，摩擦板3靠近磁体弹片500的一面上设有环形槽，环形槽内设置圆环形的电磁体501，磁体弹片500的外径与电磁体501的外径相等。
78.结构二，摩擦板3上的电磁体501裸露在外侧。
79.摩擦板3靠近磁体弹片500的一面上设有多个安装方槽，安装方槽内设置电磁体501；磁体弹片500数量为多个，并且成圆环形分布；电磁体501在摩擦板3上的投影与磁体弹片500在摩擦板3上的投影部分重合，以实现电磁体501产生的磁力对磁体弹片500产生作用；电磁体501和安装方槽均为矩形。
80.结构三，摩擦板3上的电磁体501设置在其内部。
81.摩擦板3包括第一部分和第二部分，第一部分和第二部之间紧密连接电磁体501；电磁体501在摩擦板3上的投影与磁体弹片500在摩擦板3上的投影部分重合。以实现电磁体501产生的磁力对磁体弹片500产生作用。
82.第二种，锁紧组件5产生磁力的部分未设置在摩擦板3上，如图9所示。
83.锁紧组件5包括电磁圈502和弹性永磁片503。电磁圈502固定连接在驱动组件1的端部；弹性永磁片503一端固定连接在驱动组件1的端部，且位于且位于电磁圈502的圈内；另一端弯折并向摩擦板3延伸，以使该端在摩擦板3上的投影与电磁圈502在摩擦板3上的投影部分重合；电磁圈在通电后形成与弹性永磁片503相吸的磁力，以使弹性永磁片503远离摩擦板3。弹性永磁片503的数量为多个，并且呈圆环分布，该圆环的圆心位于主轴2的轴心线上，弹性永磁片503的结构可以和磁体弹片500大致相同，有所区别的是弹性永磁片503的安装位置不同，向摩擦板3延伸的一端与驱动组件固定连接的一端在高度方向上不同。
84.对应的控制时，电磁圈502在通电后形成与弹性永磁片503相吸的磁力，以使弹性永磁片503远离摩擦板3；电磁圈502在断电后，弹性永磁片503与摩擦板3接触。这一种结构
形式与摩擦板3接触时，进行锁紧时，利用磁力相吸实现，与第一种的原理利用磁力的方式有不同。但是最终实现的效果均是断电锁紧，得电解锁的形式。
85.综上，进行说明了锁紧组件5的结构形式，可以根据不同的需要进行选择。磁体弹片500和弹性永磁片为硅钢材质。当磁体弹片500或弹性永磁片与主轴2固连的摩擦板3接触后，产生摩擦力，实现对主轴2绕轴自由度的约束。
86.工作流程为：
87.对于锁紧组件5的第一种结构。锁紧时，电磁体501断电，磁体弹片500处于弹起状态，磁体弹片500一端受弹性力贴合摩擦板3，主轴2处于自由度约束状态。解锁时，控制电路断电，电磁体501通电，电磁体501和磁体弹片500极性一致，磁体弹片500脱离摩擦板3，主轴2处于处于绕轴自由运动状态。
88.对于锁紧组件5的第二种结构，其工作方式与第一种结构相反。
89.在一些优选的实施例中，如图1-图5，以及图10所示，对于驱动组件1的结构进行了以下设置：
90.驱动组件1包括：壳体100，其一端封闭，另一端开口；壳体100的封闭端固设有轴承101，开口端设有盖板106，盖板106上也设有轴承101；盖板106给轴承101提供轴向约束，间接也给主轴2和外磁齿轮102提供了轴向约束。
91.主轴2穿设两个轴承101，并通过两个轴承101与壳体100连接；外磁齿轮102，其固连在主轴2上，并位于两个轴承101之间；内磁齿轮104，其固设在壳体100的内壁上，并且其内容置外磁齿轮102；内磁齿轮104用于改变磁性，以驱动主轴2转动。
92.驱动组件1依靠外磁齿轮102和内磁齿轮104形成的电磁力驱动主轴2转动，其中外磁齿轮102为硅钢等永磁体，外磁齿轮102与主轴2固连；内磁齿轮104可为电磁体。转位时，内磁齿轮104保持通电，控制电路工作，通过pwm控制内磁齿轮104极性切换，外磁齿轮102和内磁齿轮104形成的电磁力驱动主轴2旋转。
93.从而相比传统惯组的旋转调制机构具备巨大的体积、重量优势；转位过程为非接触式传动，避免类似机械齿轮等接触式传动的内应力、磨损、润滑等问题，使用寿命长，可靠性高。
94.本技术还提出了一种超小型复合电磁驱动锁紧机构的控制方法，其包括以下步骤：
95.获取控制信号，并对控制信号进行解读；
96.若解读的结果为锁紧命令，则使锁紧组件5断电，锁紧组件5接触摩擦板3，主轴2处于绕轴自由度约束状态；
97.若解读的结果为解锁命令，则使锁紧组件5通电，锁紧组件5远离摩擦板3，主轴2解除绕轴自由度约束；
98.若解读的结果为驱动负载命令，则使锁紧组件5持续通电，驱动组件1得电形成的电磁力驱动主轴2旋转。
99.其中，若解读的结果为锁紧命令，则还需使驱动组件1断电；若解读的结果为解锁命令，则还需使驱动组件1通电；
100.若解读的结果为驱动负载命令，则还需通过pwm控制外磁齿轮102的转速，以控制主轴2的转速。
101.利用驱动组件1和锁紧组件5是共轴的结构，将锁紧和转位结合在一起，但是在工作时，主轴2的锁紧和解锁单独靠锁紧组件5实现，而主轴2的转速和输出扭矩靠驱动组件1进行控制，不是依靠锁紧组件5控制；采用以上的步骤和结构实现驱动与锁紧集成一体化设计，提高可靠性，满足系统高密度集成及轻质化的要求。相比传统调制机构方案，具备集成度高、结构层级及驱动简单、可靠性高的优点，更有利于在轻质微小型惯导系统中的应用。
102.其中，pwm为脉宽调制，控制电机的时候，电源并非连续地向电机供电，而是在一个特定的频率下以方波脉冲的形式提供电能，不同占空比的方波信号能对电机起到调速作用，这是因为电机实际上是一个大电感。有阻碍输入电流和电压突变的能力，因此脉冲输入信号被平均分配到作用时间上，这样改变始能端输入方波的占空比就能改变加在电机两端的电压大小，从而改变转速。
103.应当理解的是驱动组件1也可以是其他的微型电机，采用直流或交流电。
104.下面给出具体的应用的实施例
105.复合电磁驱动锁紧机构重量为10克量级，驱动组件是在传统微型直流电机基础上通过适应性改进设计而成，国内现有的线圈绕组尺寸可以做到1～2mm级别，重量小于0.2克，同时磁体弹片500可以采用纯磁钢一体制造，也可支持小于毫米级别弹片的定制。
106.本方案复合驱动锁紧机构的尺寸，能够在不配置减速机条件下，够获得2mnm的稳定输出扭矩，通过增加定子极数及pwm控制，将机构的输出转速正好控制为20
°
/s。
107.此时有：
108.m1＝j
×
a1[0109][0110]
根据工程经验，驱动机构驱动敏感体的角速度达到50rad/s2，即能克服运转中的阻力保持正常启动与转位。经过计算驱动力能够远远满足使用需求。
[0111]
复合电磁驱动锁紧机构方案，使用电磁传动技术，将传统方案的驱动电机、解锁/锁紧电机、减速机、机械传动副等高度集成到一个机构。可根据驱动、锁紧力需求，自行设计机构转速和输出力矩。根据惯性敏感体的调制需求，设计转动速度20
°
/s左右，负载在数十克量级，相比普通微型电机方案中带来的转速和扭矩浪费，复合电磁驱动方案可更为合理的针对性设计机构转速和扭矩，部件更加紧凑，能有效实现轻质小型化的目标，将驱动机构和锁紧机构整合为一体，是实现系统高密度集成化的优选途径。
[0112]
在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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技术和简化描述，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技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0113]
需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意
在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0114]
以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。