CN104022615A - 永磁式直流直线柔性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁式直流直线柔性驱动器，其特征是：由磁钢支撑轴和固定套装在磁钢支撑轴上的磁钢构成动子，在动子的两端分别设置有动子端盖；由定子轭、定子绕组、绕组楔、定位杆和定位圈构成筒体形式的定子；在筒体形式的定子的外部由外壳端盖和壳体构成筒状外壳，在筒状外壳的两端分别设置有支撑端盖；在支撑端盖与动子端盖之间设置缓冲弹簧构成缓冲限位结构；与定子以及筒状外壳同轴设置的直线轴承是以过盈配合固定设置在筒状外壳的两端，动子可以在直线轴承中沿轴向作往复运动。本发明质量体积小、可控性好、具备驱动柔性和运动柔性、输出力无波动、输出力密度大，并具有很好的兼容性。

Description

永磁式直流直线柔性驱动器

技术领域

本发明涉及电磁直线柔性驱动装置，尤其是一种应用于自动控制***中作为直线驱动器用于实现直线运动的装置。

背景技术

现有技术中的用于实现直线运动的直线驱动器主要有：电磁继电器、直线电机、直线推杆、液压缸、气动缸、气动人工肌肉，以及一些新型功能材料。其中，电磁继电器是利用通电螺线管与铁芯构成的电磁铁所产生的电磁力与自身的弹性元件实现衔铁的直线收缩与恢复；直线电机是利用电磁感应原理，将电能直接转换成直线运动机械能，不需要任何中间转换机构；直线推杆是将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置；液压缸和气压缸的直线驱动是将液压能或气压能转变为机械能的，是一种直线往复运动的执行元件；气动人工肌肉是在部提供的压缩空气驱动下作推拉动作，其过程就像人体的肌肉运动。各类已有直线驱动器的特点如表1所示

表1

从表1可以看出，现有的直线驱动器不能同时满足质量体积小、运动柔性好、无力波动、运动可控性好、输出力大的特点。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种质量体积小、可控性好、具备驱动柔性和运动柔性、输出力无波动、输出力密度大，并具有很好的兼容性的永磁式直流直线柔性驱动器。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明永磁式直流直线柔性驱动器的结构特点在于：由磁钢支撑轴和固定套装在磁钢支撑轴上的磁钢构成动子，在所述动子的两端分别设置有动子端盖；由定子轭、定子绕组、绕组楔、定位杆和定位圈构成筒体形式的定子；在所述筒体形式的定子的外部由外壳端盖和壳体构成筒状外壳，在所述筒状外壳的两端分别设置有支撑端盖；在所述支撑端盖与动子端盖之间设置缓冲弹簧构成缓冲限位结构；与所述定子以及所述筒状外壳同轴设置的直线轴承是以过盈配合固定设置在筒状外壳的两端，所述动子可以在所述直线轴承中沿轴向作往复运动。

本发明永磁式直流直线柔性驱动器的结构特点也在于：

所述磁钢包括径向充磁的A型磁钢和圆周方向充磁的B型磁钢；所述A型磁钢和B型磁钢呈海尔贝克结构分布，相邻的A型磁钢之间充磁方向相反，相邻的B型磁钢之间充磁方向也相反；安装时使得在A-B-A的单元中，示意充磁方向的箭头为首尾相接。

所述定子轭沿轴向呈现为两个相邻的形状段A，中间由一个形状段B隔开，所述形状段A为具有偶数个内部凸极的圆环体，由I型硅钢片叠加并粘接而成；所述形状段B为沿所述定子轭外圆周均匀分布的偶数个凸台，每个凸台由II型硅钢片叠加并粘接而成；所述凸台在圆周位置上与所述内部凸极一一对应，沿轴向相邻的两个凸极与其间的凸台构成一个绕组槽，定子绕组通过绕组槽缠绕在所述凸台上；三个绕组楔在一个定子轭内部的六个绕组槽中拼和成一个圆环，圆环外圆涨紧绕组槽内定子绕组；I型硅钢片和II型硅钢片上都有大小相同的圆形孔，使得所组成的定子轭在外圆周上均布六个定位孔；沿轴向设置的各定子轭由定位圈相间隔，使得在相邻的定子轭之间存在有间距；每只定子轭上的各定子绕组之间形成串联，串联之后在不同定子轭之间形成并联或串联。

本发明永磁式直流直线柔性驱动器的结构特点还在于：

所述动子内置在定子中，以A型磁钢的外圆弧面正对定子轭的内部凸极的内圆弧面，在所述A型磁钢的外圆弧面与内部凸极的内圆弧面之间有间隙，并且，所述在所述A型磁钢的外圆弧面与内部凸极的内圆弧面的圆心角相等。

所述定位孔也分布在所述定位圈上，以定位杆贯穿所述定位圈及定子轭上的定位孔，并以强力胶粘接定位圈、定子轭和定位杆，以使定位圈与定子轭加强紧固并保证同轴。

所述外壳端盖通过螺钉与壳体紧固，并由所述橡胶垫圈提供外壳端盖的预紧力。

所述定位圈是以过盈配合固定设置在壳体的内圈；定子的筒体两端分别通过橡胶垫圈与所述外壳端盖及外壳以过盈配合固定设置在所述筒状外壳中，在所述磁钢支撑轴的两端分别设置有连接螺纹孔，以所述连接螺纹孔配合设置输出件。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明是根据载流导体在磁场中受磁力作用而设计，其原理简单可靠可行。通过调节绕组电流即可控制驱动器输出力的大小。不需要换向装置对电流反复换向，消除了因反复换向引起的力波动。

2、本发明中动子定子之间的相对位移的方向、行程以及速度均可通过绕组电流控制。能够实现较长行程的位移。

3、本发明中动子自身输出的磁场力可以抵抗外界的瞬时冲击，并通过动子位移来减轻冲击；另一方面，根据电磁感应定律，驱动器动子的瞬时位移，使得其绕组因改变磁通量而受到一个与外界冲击力相反的电磁力作用，从而进一步减轻冲击。这种特性使得驱动器具备了良好的运动柔性。

4、本发明采用海尔贝克阵列磁钢结构，使得磁钢在定子轭中形成的偶数个子磁路得以优化，气隙磁通密度得以增强，并且最大限度地增加了有效作用的载流导体长度，使得同等体积下能够获得更高的输出力密度。整体磁路结构设计紧凑合理，使得本发明的机械结构强度可靠，发明整体体积小，质量轻。

5、本发明机械部件尺寸合理，工艺简单，制造方便。可根据实际需要设计不同输出参数的同类型产品。其采用低压直流电源，安全可靠、绿色环保。

附图说明

图1为本发明中驱动器结构剖视图；

图2为本发明中磁钢结构以及充磁方向示意图；

图3a为本发明中I型硅钢片示意图；

图3b为本发明中II型硅钢片示意图；

图3c为本发明中定子轭结构示意图；

图3d为本发明中定子结构示意图；

图4为本发明中动子与定子轭配合方式及磁路示意图；

图5为本发明中载流时定子轭及动子内部感应磁场强度矢量图；

图6a为本发明纵剖面示意图；

图6b为本发明横断面示意图；

图7为本发明中绕组通电电流方向示意图。

图中标号：1外壳端盖，2壳体，3动子端盖，4缓冲弹簧，5支撑端盖，6磁钢，7磁钢支撑轴，8定位圈，9定子轭，10定位杆，11定子绕组，12绕组楔，13橡胶垫圈，14直线轴承，15绕组槽，16定位孔，17为I型硅钢片，18为II型硅钢片，19紧固螺纹孔，20连接螺纹孔，21导线孔，22为A型磁钢，23为B型磁钢,24凸极，25定子，26动子。

具体实施方式

参见图1、图6a和图6b，本实施例中永磁式直流直线柔性驱动器的结构形式是：

由磁钢支撑轴7和固定套装在磁钢支撑轴7上的磁钢6构成动子，磁钢6是利用强力胶粘合在磁钢支撑轴7上，其结构简单，在动子26的两端分别设置有动子端盖3；由定子轭9、定子绕组11、绕组楔12、定位杆10和定位圈8构成筒体形式的定子；在筒体形式的定子25外由外壳端盖1和壳体2构成筒状外壳，在筒状外壳的两端分别设置有支撑端盖5；在支撑端盖5与动子端盖3之间设置缓冲弹簧4构成缓冲限位结构，起到缓冲保护和限位的作用；与定子以及筒状外壳同轴设置的直线轴承14是以过盈配合固定设置在筒状外壳的两端，动子可以在直线轴承14中沿轴向作往复运动。

如图2所示，本实施例中磁钢6包括径向充磁的A型磁钢22和圆周方向充磁的B型磁钢23；A型磁钢22和B型磁钢23呈海尔贝克结构分布，相邻的A型磁钢之间充磁方向相反，相邻的B型磁钢之间充磁方向也相反；安装时使得在A-B-A的单元中，示意充磁方向的箭头为首尾相接。本实施例中磁钢根据海尔贝克阵列排列组合，相对于使用导磁材料的传统结构，这种结构形式一方面节省了空间结构，另一方面也使得磁通密度增大，减少磁漏，这可以使得驱动器获得更大的输出力。

如图3a、图3b、图3c和图3d所示，本实施例中，定子轭9沿轴向为两个相邻的形状段A，中间由一个形状段B隔开，形状段A为具有六个内部凸极24的圆环体，由I型硅钢片17叠加并粘接而成；形状段B为沿定子轭9外圆周均匀分布的六个凸台，每个凸台由II型硅钢片18叠加并粘接而成；凸台在圆周位置上与内部凸极24一一对应，沿轴向相邻的两个凸极与其间的凸台构成一个绕组槽15，定子绕组11通过绕组槽15缠绕在凸台上；三个绕组楔12在一个定子轭9内部的六个绕组槽15中拼和成一个圆环，圆环外圆涨紧绕组槽15内定子绕组11；I型硅钢片和II型硅钢片上都有大小相同的圆形孔，使得所组成的定子轭在外圆周上均布六个定位孔16；沿轴向设置的各定子轭9由定位圈8相间隔，使得在相邻的定子轭之间存在有间距；每只定子轭上的各定子绕组之间形成串联，串联之后在不同定子轭之间形成并联或串联，如图3d所示，本实施例中，四组定子轭通过三只定位圈8和六根定位杆10构成定子，共形成有二十四个定子绕组11，并有十二个绕组楔12。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

如图4所示，动子26内置在定子25中，以A型磁钢22的外圆弧面正对定子轭9的内部凸极的内圆弧面，各对应位置上的内圆弧面和外圆弧面所形成的气隙的距离相等，本实施例中设置内圆弧面和外圆弧面之间的气隙距离为1mm。这样的结构设置是为在定子25和动子26之间形成驱动器工作时的主磁路，在气隙中产生适合的磁通量密度。并使得动子能够相对于定子限制旋转自由度，并可沿轴向做直线往复运动。如图5所示，在非工作状态下，由于磁阻效应，动子和定子也会自然保持这种结构对应，不需要在对动子限定旋转自由度。

设置定位圈8的厚度为4mm、其外径为32mm、内径为16mm，定位孔16也分布在定位圈8的圆周上，以定位杆10贯穿定位圈8以及定子轭9上的定位孔16，并以强力胶粘接定位圈8、定子轭9和定位杆10，以使定位圈8与定子轭9加强紧固并保证同轴。定位圈8的外径与外壳2内径相一致，安置在外壳的内部起到定位作用，同时，由定位圈8将定子轭9间隔开来，使得相邻的定子轭之间存在有间距，在绕组通电时，轴向相邻绕组产生的磁场不会发生耦合，避免绕组产生的磁场因这种耦合作用而不能在绕组槽中形成单一的磁路。

图6a所示，为了实施连接，在动子端盖3、支撑端盖5以及外壳端盖1上分别设置有紧固螺纹孔19，在壳体2的一端设置有导线孔21用于穿线。外壳端盖1通过螺钉与壳体2紧固，限制定子的自由度，橡胶垫圈13提供外壳端盖1的预紧力。定位圈8是以过盈配合固定设置在壳体2的内圈；定子的筒体两端分别通过橡胶垫圈13与外壳端盖1及壳体2以过盈配合固定设置在筒状外壳中，在磁钢支撑轴7的两端分别设置有连接螺纹孔20，以连接螺纹孔20配合设置输出件。

安装好的驱动器，在动子和定子轭中形成四十八个子磁路组成的主磁场。绕组槽内部的载流导体处在磁场之中，由于驱动器内部结构特点，使得其电流方向与感应磁场方向垂直，根据左手定则，载流导体受到沿轴向的磁力作用。如图7所示，由于一个定子轭相邻的绕组槽内部的载流导体的电流方向相反，且通过的感应磁场方向也相反，故所有绕组槽所受的磁力方向均相同。定子受到一个总的磁力，该力与作用在动子上的力是一对作用力与反作用力，其大小可以根据磁力公式F＝BIL计算。另外，虽然每个绕组槽同时受到沿径向的磁力作用，但由于定子轭的绕组槽沿圆周均布，故定子和动子在径向总体表现为不受力。

本发明采用直流电作为驱动器的能源及利用电压控制驱动器的运作，解决了控制快捷简易性的问题；本发明是根据载流导体在磁场中受安培力作用来获得驱动力，因为安培力为场力，不存在实际接触，解决了运动柔性问题；本发明在运行过程不需要换向装置对电流反复换向，且沿运动方向的气隙磁阻不变，解决了力波动问题；此外，本发明通过优化驱动器的机械结构，使得磁路合理，结构紧凑，并通过进一步优化材料，从而获得更加合理的质量体积，以及获得更大的驱动力。

Claims (6)

1.永磁式直流直线柔性驱动器，其特征是：由磁钢支撑轴(7)和固定套装在磁钢支撑轴(7)上的磁钢(6)构成动子(26)，在所述动子的两端分别设置有动子端盖(3)；由定子轭(9)、定子绕组(11)、绕组楔(12)、定位杆(10)和定位圈(8)构成筒体形式的定子(25)；在所述筒体形式的定子的外部由外壳端盖(1)和壳体(2)构成筒状外壳，在所述筒状外壳的两端分别设置有支撑端盖(5)；在所述支撑端盖(5)与动子端盖(3)之间设置缓冲弹簧(4)构成缓冲限位结构；与所述定子以及所述筒状外壳同轴设置的直线轴承(14)是以过盈配合固定设置在筒状外壳的两端，所述动子可以在所述直线轴承(14)中沿轴向作往复运动。

2.根据权利要求1所述的永磁式直流直线柔性驱动器，其特征是：所述磁钢(6)包括径向充磁的A型磁钢(22)和圆周方向充磁的B型磁钢(23)；所述A型磁钢(22)和B型磁钢(23)呈海尔贝克结构分布，相邻的A型磁钢之间充磁方向相反，相邻的B型磁钢之间充磁方向也相反；安装时使得在A-B-A的单元中，示意充磁方向的箭头为首尾相接；所述定子轭(9)沿轴向呈现为两个相邻的形状段A，中间由一个形状段B隔开，所述形状段A为具有偶数个内部凸极(24)的圆环体，由I型硅钢片(17)叠加并粘接而成；所述形状段B为沿所述定子轭(9)外圆周均匀分布的偶数个凸台，每个凸台由II型硅钢片(18)叠加并粘接而成；所述凸台在圆周位置上与所述内部凸极(24)一一对应，沿轴向相邻的两个凸极(24)与其间的凸台构成一个绕组槽(15)，定子绕组(11)通过绕组槽(15)缠绕在所述凸台上；三个绕组楔(12)在一个定子轭(9)内部的六个绕组槽(15)中拼和成一个圆环，圆环外圆涨紧绕组槽(15)内定子绕组(11)；I型硅钢片和II型硅钢片上都有大小相同的圆形孔，使得所组成的定子轭在外圆周上均布六个定位孔(16)；沿轴向设置的各定子轭(9)由定位圈(8)相间隔，使得在相邻的定子轭之间存在有间距；每只定子轭上的各定子绕组之间形成串联，串联之后在不同定子轭之间形成并联或串联。

3.根据权利要求2所述的永磁式直流直线柔性驱动器，其特征是：所述动子内置在定子中，以A型磁钢(22)的外圆弧面正对定子轭(9)的内部凸极(24)的内圆弧面，在所述A型磁钢(22)的外圆弧面与内部凸极(24)的内圆弧面之间有间隙，并且，所述A型磁钢(22)的外圆弧面与内部凸极(24)的内圆弧面的圆心角相等。

4.根据权利要求1所述的永磁式直流直线柔性驱动器，其特征是：所述定位孔(16)也分布在所述定位圈(8)上，以定位杆(10)贯穿所述定位圈(8)及定子轭(9)上的定位孔(16)，并以强力胶粘接定位圈(8)、定子轭(9)和定位杆(10)，以使定位圈(8)与定子轭(9)加强紧固并保证同轴。

5.根据权利要求1所述的永磁式直流直线柔性驱动器，其特征是：所述外壳端盖(1)通过螺钉与壳体(2)紧固，并由所述橡胶垫圈(13)提供外壳端盖(1)的预紧力。

6.根据权利要求1所述的永磁式直流直线柔性驱动器，其特征是：所述定位圈(8)是以过盈配合固定设置在壳体(2)的内圈；定子的筒体两端分别通过橡胶垫圈(13)与所述外壳端盖(1)及外壳(2)以过盈配合固定设置在所述筒状外壳中，在所述磁钢支撑轴(7)的两端分别设置有连接螺纹孔(20)，以所述连接螺纹孔(20)配合设置输出件。