專利名稱：用于直線電機的電磁-永磁箝位機構(gòu)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種電磁電機技術領域的裝置，具體是一種用于直線電機的 電磁-永磁箝位機構(gòu)。
背景技術：
近些年來，電、磁致伸縮驅(qū)動技術發(fā)展迅速，產(chǎn)生了如巨磁致伸縮材料、電陶瓷以 及磁致伸縮形狀記憶合金等智能材料。這些智能材料具有能量密度大，輸出功率高，伸縮形 變精確等優(yōu)點，因此基于這些智能材料可以研發(fā)高性能驅(qū)動器和直線電機。但是基于智能 材料研制的直線電機普遍存在運動步距微小、運動速度緩慢，大行程位移所需時間長，以及 驅(qū)動電壓或電流要求高等缺陷。特別是對于尺蠖運動類直線電機，由于沒有性能匹配的箝 位機構(gòu)，而使的智能材料的大輸出應力性能不能夠得到充分發(fā)揮，致使這類電機不能用于 大負載和超大負載驅(qū)動、傳動的應用領域。經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Jaehwan Kim等在《Mechatronics》(機械電子學 期刊，2002年第12期第525-542頁)上發(fā)表的論文A hybrid inchworm linear motor (混 合式尺蠖運動直線電機)，該直線電機的設計基于尺蠖運動機理，由一個磁致伸縮機構(gòu)和兩 個壓電伸縮機構(gòu)組成；磁致伸縮機構(gòu)用來產(chǎn)生尺蠖運動直線位移，兩個壓電伸縮機構(gòu)作為 尺蠖箝位機構(gòu)產(chǎn)生箝位動作。所述磁致伸縮機構(gòu)，包括磁致伸縮棒、電磁線圈、金屬殼體、金 屬端蓋、彈簧壓力機構(gòu)，位移輸出機構(gòu)，位移桿；其大位移驅(qū)動的實現(xiàn)是通過多次磁致伸縮 激勵所產(chǎn)生的微米級磁致伸縮位移累積而成。所述壓電伸縮機構(gòu)，包括壓電材料片堆、復雜 柔性鉸鏈放大機構(gòu)、預緊力機構(gòu)，激勵電極。這種電機采用的壓電箝位機構(gòu)，由于其使用的是脆性壓電材料，其抗擠壓能力有 限，過大的箝位及壓力會將壓電材料壓碎，致使箝位功能喪失，其作直線驅(qū)動的磁致伸縮機 構(gòu)可產(chǎn)生超大輸出應力的性能因此無法實現(xiàn)。

實用新型內(nèi)容本實用新型針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種用于直線電機的電磁-永磁 箝位機構(gòu)，通過電磁特性，通過磁場發(fā)生裝置及其對應電磁線圈對輸出桿的卡緊、釋放兩種 狀態(tài)，實現(xiàn)在無電情況下對輸出桿的箝位卡緊，保持機構(gòu)狀態(tài)穩(wěn)定不動。本實用新型是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本實用新型包括導軌以及位于導軌內(nèi) 部的輸出桿以及至少一個磁場發(fā)生裝置，其中磁場發(fā)生裝置與導軌相連，輸出桿位于導軌 的內(nèi)部中心且與導軌同軸設置。所述的磁場發(fā)生裝置為天然磁場發(fā)生裝置或電磁磁場發(fā)生裝置，其中天然磁場 發(fā)生裝置由單組或若干組并列的永磁體、永磁-鐵磁復合體或永磁-非鐵磁復合體制成；電 磁磁場發(fā)生裝置為單組或若干組并列的偏擺電磁線圈和結(jié)構(gòu)材料體構(gòu)成。當所述的導軌及輸出桿為非導磁材料制成時，在所述電磁磁場發(fā)生裝置的外側(cè)設 有電磁線圈或永磁環(huán)體；
3[0009]當所述的導軌及輸出桿為導磁材料制成時，則無需電磁線圈，所述電磁磁場發(fā)生 裝置所需的偏擺動作由偏擺電磁線圈所產(chǎn)生的電磁場吸力吸附導軌及輸出桿實現(xiàn)；所述的磁場發(fā)生裝置上設有偏擺位置導向體；所述的磁場發(fā)生裝置上設有轉(zhuǎn)動軸，該轉(zhuǎn)動軸與導軌固連，磁場發(fā)生裝置相對轉(zhuǎn) 動軸旋轉(zhuǎn)；所述的輸出桿具體為單根剛性桿或線纜或多根由中間伸縮膨脹體串聯(lián)連接的剛 性桿或線纜。所述的導軌內(nèi)設有移動體，該移動體位于輸出桿和導軌之間且當所述磁場發(fā)生裝置的個數(shù)為一個時則該移動體與磁場發(fā)生裝置相對設置于輸 出桿的兩側(cè)；當所述磁場發(fā)生裝置的個數(shù)為兩個以上時則該移動體位于輸出桿和導軌之間的 兩個磁場發(fā)生裝置之間。所述的移動體為剛性材料或彈性材料制成。本裝置通過以下方式進行工作初始狀態(tài)下，磁場發(fā)生裝置、電磁線圈和輸出桿組配后放入導軌中間。在電磁線圈 未通電時，磁場發(fā)生裝置為自由狀態(tài)，輸出桿可以被向左或左右滑動拖動。本實用新型工作 時，給沿輸出桿對稱放置的電磁線圈通電產(chǎn)生磁場，該磁場將激勵線圈中的磁場發(fā)生裝置 磁極偏轉(zhuǎn)，致使磁場發(fā)生裝置在長度方向上與導軌和輸出桿抵觸，此時，輸出桿的位置被限 定不動，并且輸出桿由于電磁力的作用不易向左推動。而且，由于磁場發(fā)生裝置與輸出桿和 導軌接觸面間的摩擦力，并同時伴有電磁力作用，當輸出桿被向右拖動時，磁場發(fā)生裝置將 會被帶動進一步旋轉(zhuǎn)。然而，由于磁場發(fā)生裝置長度方向尺寸大于輸出桿和導軌之間的距 離，所以磁場發(fā)生裝置會隨著拖動力而卡在輸出桿和導軌之間，并且拖動力越大、卡緊力越 大。尤其是當導軌、輸出桿和磁場發(fā)生裝置都為剛性體時，該卡緊箝位力可以隨著該拖動力 增大而增大，直至其中任何一個受力件的強度極限為止。這樣，輸出桿被牢牢卡緊在導軌中 間。此時，輸出桿處于箝位卡緊狀態(tài)，并能產(chǎn)生巨大的箝位力，當對輸出桿處于箝位卡緊狀態(tài)時的電磁線圈施加與之前相反的電流，產(chǎn)生的反向 磁場將激勵磁場發(fā)生裝置的磁極反向旋轉(zhuǎn)，致使磁場發(fā)生裝置在長度方向上偏離開與導軌 和輸出桿的接觸面，恢復到初始狀態(tài)，輸出桿可以左右移動。與一個中間伸縮膨脹體固連，而構(gòu)成一個尺蠖運動直線電機?；诒緦嵱眯滦退?述的箝位卡緊機構(gòu)的工作原理，可以交替控制直線電機的左箝位卡緊機構(gòu)卡緊，右箝位卡 緊機構(gòu)釋放，此時中間伸縮膨脹體伸長會推動右端的輸出桿向右端移動；之后，控制右箝位 卡緊機構(gòu)卡緊，釋放左箝位卡緊機構(gòu)，然后收縮中間伸縮膨脹體，此時由于電機右端卡緊， 左端釋放，所以電機中間膨脹體即電機整體，將隨著中間伸縮膨脹體的收縮而向右移動。重 復以上過程，該電機將會單次移動位移累加，變成一個可長距離移動的直線電機。并且，通 過控制電機的左和右端箝位的先后次序，可以實現(xiàn)該電機的往復運動。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下優(yōu)點1.機構(gòu)簡單，組成部件少，可以實現(xiàn) 巨大的箝位卡緊力；2.電磁信號控制，箝位和電機運動控制靈敏、方便；3.可以廣泛用于多 種需要箝位卡緊機構(gòu)領域。4.驅(qū)動箝位過程能耗低，具有無能耗卡緊性能。本實用新型的機構(gòu)可用于研制要求產(chǎn)生超大箝位力、大位移、高精度驅(qū)動功能的儀器和設備，以及對現(xiàn)有電、磁致伸縮驅(qū)動材料應用設備、儀器的改進，可廣泛應用于驅(qū)動 器(致動器)、制動器、傳感器、電機、振動及控制設備、機器人、精密制造、生物醫(yī)學工程等 領域。

圖1為箝位卡緊機構(gòu)卡緊狀態(tài)及結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為箝位卡緊機構(gòu)初始或釋放狀態(tài)及結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為兩個以上磁場發(fā)生裝置和線圈對稱輸出桿布置組合而成的鎖緊裝置結(jié)構(gòu) 示意圖；圖4為分別為采用三種箝位卡緊機構(gòu)和鎖緊裝置的直線電機結(jié)構(gòu)形式示意圖；圖5磁場發(fā)生裝置為電磁體的箝位卡緊機構(gòu)示意圖(導軌和/或輸出桿為導磁材 料情況)；圖6磁場發(fā)生裝置為電磁體的箝位卡緊機構(gòu)示意圖(導軌和/或輸出桿為非導磁 材料情況)；圖7磁場發(fā)生裝置為一個以上多粒結(jié)構(gòu)制成的磁場發(fā)生裝置示意圖；圖8磁場發(fā)生裝置為一個以上多個并行體制成的磁場發(fā)生裝置示意圖；圖9分別為箝位卡緊機構(gòu)中輸出桿一側(cè)為磁場發(fā)生裝置另一側(cè)為移動體或彈性 體結(jié)構(gòu)示意圖；圖10箝位卡緊機構(gòu)的導軌和磁場發(fā)生裝置之間設有與導軌剛性連接的限位體， 磁場發(fā)生裝置設有轉(zhuǎn)動軸的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面對本實用新型的實施例作詳細說明，本實施例在以本實用新型技術方案為前 提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限 于下述的實施例。實施例1如圖1所示，本實施例包括導軌1以及位于導軌1內(nèi)部的輸出桿2以及一個磁場 發(fā)生裝置3及其對應電磁線圈4，其中電磁線圈4固定于導軌1內(nèi)壁，電磁線圈4套接于磁 場發(fā)生裝置3外部且磁場發(fā)生裝置3位于電磁線圈4的中心位置，輸出桿2位于導軌1的 內(nèi)部中心且與導軌1同軸設置。所述的輸出桿2為單根或多根由中間伸縮膨脹體串聯(lián)連接的剛性桿、線纜或鋼纜。所述的磁場發(fā)生裝置3為永磁材料、永磁-鐵磁復合材料或永磁-非鐵磁復合材 料制成。如圖1所示，初始狀態(tài)下，磁場發(fā)生裝置3、電磁線圈4和輸出桿2組配后放入導 軌1中間。在電磁線圈未通電時，磁場發(fā)生裝置3為自由狀態(tài)，輸出桿2可以被向左或左右 滑動拖動。本實用新型工作時，給沿輸出桿2對稱放置的電磁線圈4通電產(chǎn)生磁場H，該磁 場H將激勵線圈2中的磁場發(fā)生裝置3的磁極偏轉(zhuǎn)，致使磁場發(fā)生裝置3在長度方向上與 導軌1和輸出桿2抵觸，如圖2所示。此時，輸出桿2的位置被限定不動，并且輸出桿2由于電磁場H的電磁力的作用不易向左推動。而且，由于磁場發(fā)生裝置3與輸出桿2和導軌1 接觸面間的摩擦力，并同時伴有電磁力作用，當輸出桿2被向右拖動時，磁場發(fā)生裝置3將 會被摩擦帶動進一步旋轉(zhuǎn)。然而，由于磁場發(fā)生裝置3長度方向尺寸大于輸出桿2和導軌 1之間的距離，所以磁場發(fā)生裝置會隨著拖動力而卡在輸出桿2和導軌1之間，并且拖動力 越大、卡緊力越大。尤其是當導軌1、輸出桿2和磁場發(fā)生裝置3都為剛體時，該卡緊箝位力 可以隨著該拖動力增大而增大，直至其中任何一個受力件的強度極限為止。這樣，輸出桿2 被牢牢卡緊在導軌1中間。此時，輸出桿2處于箝位卡緊狀態(tài)，并能產(chǎn)生巨大的箝位力，如 圖1所示。當對輸出桿2處于箝位卡緊狀態(tài)時的電磁線圈4施加與之前相反的電流，產(chǎn)生的 反向磁場H將激勵磁場發(fā)生裝置3的磁極反向旋轉(zhuǎn)，致使磁場發(fā)生裝置3在長度方向上偏 離與導軌1和輸出桿2的接觸面，如圖1所示，恢復到初始狀態(tài)，輸出桿2可以左右移動，實 現(xiàn)卡緊釋放狀態(tài)，如圖2所示。至此，本實用新型實現(xiàn)了一種由一個輸出桿2、兩個電磁線圈 4、兩個磁場發(fā)生裝置3置于一個導軌1中間組成一個單向的箝位卡緊機構(gòu)5。如圖3所示，所述的磁場發(fā)生裝置3和電磁線圈4，可以為兩個以上對稱輸出桿2 布置，基于上述的工作原理，該輸出桿2可以被卡緊，在左右兩個方向上都不能拖動，并且 卡緊力巨大。同樣，通過電磁控制可以實現(xiàn)卡緊和釋放兩種狀態(tài)的箝位卡緊機構(gòu)5，且在無 電情況下該箝位卡緊機構(gòu)5可以實現(xiàn)箝位卡緊，保持機構(gòu)狀態(tài)穩(wěn)定不動，實現(xiàn)雙向箝位卡 緊。實施例2如圖4(a)至圖4(c)所示，本實施例涉及一種尺蠖運動直線電機，包括兩個或兩 個以上通過中間伸縮膨脹體6串聯(lián)的電磁-永磁箝位機構(gòu)5，該直線電機可以交替控制如圖 4和圖5的直線電機的左箝位卡緊機構(gòu)5卡緊，右箝位卡緊機構(gòu)5釋放，此時中間伸縮膨脹 體6伸長時會推動右端的輸出桿2向右端移動；之后，控制右箝位卡緊機構(gòu)5卡緊，釋放左 箝位卡緊機構(gòu)5，然后收縮中間伸縮膨脹體6，此時由于電機右端卡緊，左端釋放，所以電機 中間膨脹體6也即電機整體，將隨著中間伸縮膨脹體6的收縮而向右移動。重復以上過程， 該電機將會將單次移動位移累加，變成一個可長距離移動的直線電機。并且，通過控制電機 的左和右端箝位的先后次序，可以實現(xiàn)該電機的往復運動。實施例3如圖5和圖6所示，本實施例包括導軌1以及位于導軌1內(nèi)部的輸出桿2以及一 個以上電磁場發(fā)生裝置7，其中電磁場發(fā)生裝置7位于導軌1內(nèi)側(cè)，一個電磁場發(fā)生裝置7 或一個以上電磁場發(fā)生裝置7相對輸出桿2布置，且整體置于導軌1的內(nèi)部。如圖5所示，當導軌1和/或輸出桿2為導磁材料制成時，電磁磁場發(fā)生裝置7外 側(cè)無需電磁線圈4。電磁磁場發(fā)生裝置7所需的偏擺動作由偏擺電磁線圈8所產(chǎn)生的電磁 場吸力吸附導軌1和/或輸出桿2來實現(xiàn)；如圖6所示，當導軌1和/或輸出桿2為非導磁材料制成時，電磁磁場發(fā)生裝置7 外側(cè)設有電磁線圈4或永磁環(huán)體10。此時，電磁磁場發(fā)生裝置7所需的偏擺動作由偏擺電 磁線圈8所產(chǎn)生的電磁場與電磁線圈4和/或永磁環(huán)體10磁力的復合作用來實現(xiàn)。如圖7所示，所述的電磁磁場發(fā)生裝置7為偏擺電磁線圈8和結(jié)構(gòu)材料體9構(gòu)成， 這些小的磁場發(fā)生裝置3或電磁磁場發(fā)生裝置7在不存在電磁場H時為松弛狀態(tài)，當產(chǎn)生電磁場H時則沿電磁場方向緊密排列，實現(xiàn)箝位卡緊功能。如圖8所示，所述的磁場發(fā)生裝置3或電磁磁場發(fā)生裝置7為多個并列，該磁場發(fā) 生裝置3或電磁磁場發(fā)生裝置7可實現(xiàn)實施例1和2相同的功能但具有更大的電磁力。實施例4如圖9(a)、9(b)所示，本實施例中的導軌1內(nèi)設有移動體11，該移動體11位于輸 出桿2和導軌1之間且當所述磁場發(fā)生裝置3的個數(shù)為一個時則該移動體與磁場發(fā)生裝置相對設置于 輸出桿的兩側(cè)；當所述磁場發(fā)生裝置3的個數(shù)為兩個以上時則該移動體位于輸出桿和導軌之間 的兩個磁場發(fā)生裝置之間。所述的移動體11為滾動體12或滑動體13，通過電磁控制磁場發(fā)生裝置3或電磁 磁場發(fā)生裝置7即能實現(xiàn)箝位卡緊和釋放并實現(xiàn)尺蠖電機功能。所述的移動體11為彈性材料制成時，通過控制磁場發(fā)生裝置3或電磁磁場發(fā)生裝 置7沿逆時針偏轉(zhuǎn)并擠壓輸出桿2致使移動體11 (滾動體12或滑動體1 受壓而彈性變 形，那么隨著磁場發(fā)生裝置3或電磁磁場發(fā)生裝置7的擺轉(zhuǎn)動，在接觸摩擦力作用下，輸出 桿2會向右端移動一定距離，如圖9(a)、9(b)中虛線所示。那么當控制磁場發(fā)生裝置3或 電磁磁場發(fā)生裝置7往復或360度逆時針旋轉(zhuǎn)時，輸出桿2將實現(xiàn)連續(xù)的向右端移動的效 果，從而實現(xiàn)一種對于輸出桿2的直線長行程運動及直線電機的效果。鑒于這種效果，根據(jù)如圖2、3所示的單、雙向卡緊機構(gòu)也可以實現(xiàn)這種對于輸出 桿2的直線長行程運動及直線電機的效果。只是要通過電控實現(xiàn)輸出桿2 —側(cè)的磁場發(fā)生 裝置3或電磁磁場發(fā)生裝置7的偏轉(zhuǎn)程度，使其從效果上具有上述移動體(滾動體12 (如 0 9(a))或滑動體13 (如圖9(b))的彈性作用。所述的移動體11為剛性材料或彈性材料制成。實施例5如圖10所示，本實施例中所述的磁場發(fā)生裝置3上設有偏擺位置導向體14，該偏 擺位置導向體14有助于磁場發(fā)生裝置3或電磁磁場發(fā)生裝置7偏轉(zhuǎn)穩(wěn)定，沒有間隙晃動， 致使箝位卡緊機構(gòu)以至于電機運動更加平穩(wěn)。如圖10所示，所述的磁場發(fā)生裝置3上設有轉(zhuǎn)動軸15，轉(zhuǎn)動軸15與導軌1固定連 接且磁場發(fā)生裝置3相對轉(zhuǎn)動軸15旋轉(zhuǎn)。磁場發(fā)生裝置3或電磁磁場發(fā)生裝置7偏轉(zhuǎn)穩(wěn) 定，沒有間隙晃動，致使箝位卡緊機構(gòu)5以至于電機運動更加平穩(wěn)。
權(quán)利要求1.一種用于直線電機的電磁-永磁箝位機構(gòu)，其特征在于，包括導軌以及位于導軌內(nèi) 部的輸出桿以及至少一個磁場發(fā)生裝置，其中磁場發(fā)生裝置與導軌相連，輸出桿位于導軌 的內(nèi)部且沿導軌軸向設置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于直線電機的電磁-永磁箝位機構(gòu)，其特征是，所述的磁場 發(fā)生裝置為天然磁場發(fā)生裝置或電磁磁場發(fā)生裝置，其中天然磁場發(fā)生裝置由單組或若 干組并列的永磁體、永磁-鐵磁復合體或永磁-非鐵磁復合體制成；電磁磁場發(fā)生裝置為單 組或若干組并列的偏擺電磁線圈和結(jié)構(gòu)材料體構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于直線電機的電磁-永磁箝位機構(gòu)，其特征是，當所述的導 軌及輸出桿為非導磁材料制成時，在所述電磁磁場發(fā)生裝置的外側(cè)設有電磁線圈或永磁環(huán) 體；當所述的導軌及輸出桿為導磁材料制成時，則無需電磁線圈，所述電磁磁場發(fā)生裝置所 需的偏擺動作由偏擺電磁線圈所產(chǎn)生的電磁場吸力吸附導軌及輸出桿實現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于直線電機的電磁-永磁箝位機構(gòu)，其特征是，所述的磁場 發(fā)生裝置上設有偏擺位置導向體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于直線電機的電磁-永磁箝位機構(gòu)，其特征是，所述的磁場 發(fā)生裝置上設有轉(zhuǎn)動軸，該轉(zhuǎn)動軸與導軌固連，磁場發(fā)生裝置相對轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于直線電機的電磁-永磁箝位機構(gòu)，其特征是，所述的輸出 桿具體為單根剛性桿或線纜或多根由中間伸縮膨脹體串聯(lián)連接的剛性桿或線纜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于直線電機的電磁-永磁箝位機構(gòu)，其特征是，所述的導軌 內(nèi)設有移動體，該移動體位于輸出桿和導軌之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于直線電機的電磁-永磁箝位機構(gòu)，其特征是，所述的移動 體具體位置為當所述磁場發(fā)生裝置的個數(shù)為一個時則該移動體與磁場發(fā)生裝置相對設置 于輸出桿的兩側(cè)；當所述磁場發(fā)生裝置的個數(shù)為兩個以上時則該移動體位于輸出桿和導軌 之間的兩個磁場發(fā)生裝置之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于直線電機的電磁-永磁箝位機構(gòu)，其特征是，所述的移動 體為剛性材料或彈性材料制成。
10.一種尺蠖運動直線電機，其特征在于，包括兩個或兩個以上通過中間伸縮膨脹體串 聯(lián)的如上述任一權(quán)利要求所述的電磁-永磁箝位機構(gòu)。
專利摘要一種電磁直線電機技術領域的用于直線電機的電磁-永磁箝位機構(gòu)，包括導軌以及位于導軌內(nèi)部的輸出桿以及至少一個磁場發(fā)生裝置，磁場發(fā)生裝置與導軌相連，輸出桿位于導軌的內(nèi)部中心且與導軌同軸設置。本實用新型通過電磁特性通過磁場發(fā)生裝置及其對應電磁線圈對輸出桿的卡緊釋放兩種狀態(tài)，實現(xiàn)在無電情況下對輸出桿的箝位卡緊，保持機構(gòu)狀態(tài)穩(wěn)定不動。
文檔編號H02K41/02GK201869079SQ20102060379
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者楊斌堂 申請人:上海交通大學