專利名稱：基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置及其組合的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種平/轉動驅動技術領域，具體是一種基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置及其組合。
背景技術：
近些年來電、磁致伸縮材料領域發展迅速，產生了如巨磁致伸縮材料、壓電陶瓷以及磁致伸縮形狀記憶合金等新型的可用于精密驅動器、傳感器和直線電機研制的機敏材料，這些材料具有能量密度大，輸出功率高，伸縮形變精確等優點，但是基于機敏材料的驅動普遍存在運動位移小，驅動激勵環節多，組成部件多，可靠性差等缺點。因此，基于機敏材料的伸縮機構不適合小體積高能大行程驅動應用領域。
發明內容
本發明針對現有技術中存在的上述不足，提供了一種基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置及其組合。本發明可電磁激勵作用下產生磁極偏轉而使轉/擺動直接產生平動位移或驅動力；所產生平/轉動位移和力的大小可控，特別是易于產生瞬間大形變體積比和大的輸出力體積比驅動。本發明是通過以下技術方案實現的。—種基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置,包括產生相互作用力的驅動部件和運動發動部件，以及設置在驅動部件和運動發動部件之間用于約束運動發動部件位移方向的導向部件。所述驅動部件為固定電磁鐵或固定永磁鐵，其豎直放置并產生豎直的磁極方向，所述運動發動部件為移動永磁鐵或移動電磁鐵，其水平放置并產生水平的磁極方向，所述導向部件包括定子和動子，其中，定子與驅動部件的一個磁極端面固連，動子與運動發動部件的側壁固連，所述導向部件水平設置在驅動部件和運動發動部件之間。所述基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置，還包括異形輪廓體，所述異形輪廓體與運動發動部件剛性連接隨動。所述驅動部件為固定電磁鐵或固定永磁鐵，其豎直放置并產生豎直的磁極方向，所述運動發動部件為移動永磁鐵或移動電磁鐵，其水平放置并產生水平的磁極方向，所述導向部件包括定子和動子，其中，動子與運動發動部件的側壁固連，定子連同運動發動部件與驅動部件呈Θ角固連，0〈 Θ〈180度，所述導向部件呈Θ角設置在驅動部件和運動發動部件之間。所述導向部件為圓形導向部件，所述圓形導向部件連同運動發動部件與驅動部件呈Θ角固連，O ( Θ〈180度。所述運動發動部件為若干個移動永磁鐵組合而成。一種基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置組合而成的多軸工作運動平臺，包括若干相互連接的用于實現x、y和/或Z軸平動的驅動裝置以及用于實現α、β和/或Y方向轉動的驅動裝置。所述用于實現X、y和/或ζ軸平動的驅動裝置為包括產生相互作用力的驅動部件和運動發動部件，以及設置在驅動部件和運動發動部件之間用于約束運動發動部件位移方向的導向部件；其中，所述驅動部件為固定電磁鐵或固定永磁鐵，其豎直放置并產生豎直的磁極方向，所述運動發動部件為移動永磁鐵或移動電磁鐵，其水平放置并產生水平的磁極方向，所述導向部件包括定子和動子，其中，定子與驅動部件的一個磁極端面固連，動子與運動發動部件的側壁固連，所述導向部件水平設置在驅動部件和運動發動部件之間；或所述運動發動部件為移動永磁鐵或移動電磁鐵，其水平放置并產生水平的磁極方向，所述導向部件包括定子和動子，其中，動子與運動發動部件的側壁固連，定子連同運動發動部件與驅動部件呈Θ角固連，0〈 Θ〈180度，所述導向部件呈Θ角設置在驅動部件和運 動發動部件之間。所述用于實現X、y和/或ζ軸平動的驅動裝置還包括異形輪廓體，所述異形輪廓體與運動發動部件剛性連接隨動。所述用于實現α、β和/或Y方向轉動的驅動裝置為包括產生相互作用力的驅動部件和運動發動部件，以及設置在驅動部件和運動發動部件之間用于約束運動發動部件位移方向的導向部件；其中，所述導向部件為圓形導向部件，所述圓形導向部件連同運動發動部件與驅動部件呈Θ角固連，OS θ〈180度；所述運動發動部件由若干個移動永磁鐵組合而成。本發明機理，是由于作為驅動的電磁力或永磁力作用于作為運動發動部件的移動永磁鐵或移動電磁鐵時，異性磁極吸引靠近，同性磁極排斥遠離。因此，當驅動部件固定不動時，驅動部件的電磁力或永磁力將使其上的運動發動部件磁極偏轉，此時由于在驅動部件和運動發動部件之間設有使運動發動部件只能在一個方向上運動的導向部件,運動發動部件只能產生導向部件的引導方向的運動。根據磁場間相互作用原理，當作為運動發動部件的移動永磁鐵或移動電磁鐵的磁場與作為驅動部件的固定永磁鐵或固定電磁鐵所產生磁場不一致時，如果驅動部件的磁場足夠強，運動發動部件將向與驅動部件磁極一致的方向發生偏轉或移動，直至運動發動部件的磁場方向與驅動部件的磁場方向一致的位置上時偏轉或移動停止。因此，如果在驅動部件激勵前，運動發動部件的磁場方向與驅動部件所產生的磁場方向不一致，那么運動發動部件的磁極方向在電磁場作用下將發生向驅動部件磁極方向的偏轉。但是，由于驅動部件固定，運動發動部件因此受到導向部件的約束，該運動發動部件磁極擺動的磁場力只能輸出到導向部件導向運動方向上，從而推動運動發動部件在導向部件導向的方向上移動。這樣就可以達到一種驅動部件豎直方向施加磁場力給運動發動部件，運動發動部件在導向部件導向的方向上移動的效果。并且該移動位移的大小可以通過控制在作為驅動部件的固定電磁鐵中施加的電流強度即產生的電磁場強度及施加電流方向或固定永磁鐵的磁場力強度進行控制。 同理，對電磁鐵加反向電流，產生與之前的相反方向的磁極即相反的電磁力，那么之前遠離驅動部件的運動發動部件的極端將被吸引而向靠近驅動部件的方向運動，同時，之前吸附在驅動部件端面的運動發動部件的極端將受斥力而向遠離驅動部件的方向運動。這樣，通過控制驅動部件磁場強度，可使運動發動部件發生與之前相反的水平運動，直至磁極重合位置時停止。這樣，經過對作為驅動部件施加一定強度的正反向電流或磁場，運動發動部件可以發生在水平方向上往復運動。與現有技術相比，本發明具有以下優點I、直接實現了基于磁極偏轉而產生的直線往復平動或轉動運動，運動驅動直接，機構簡單，剛性好；2、容易實現大行程；也容易實現微行程；驅動位移精確；3、運動力、位移大小和精度可以通過精確施加磁場或電流的強度來控制，控制簡單、方便； 4、將磁場直接用于驅動，電磁場與永磁場復合作用產生較大的驅動磁場,使機構的驅動力大，驅動響應快，效率高。本發明的機構可用于研制要求驅動部件極少，體積和重量微小，產生較大位移、高精度往復驅動和多自由度驅動功能的裝置。
圖I為本發明實施例I示意圖；圖2為本發明實施例2示意圖；圖3為本發明實施例3示意圖；圖4為本發明實施例4示意圖；圖5為本發明實施例5示意圖；圖6為本發明實施例6示意圖；圖中，I為驅動部件，2為運動發動部件，3為導向部件，4為固定永磁鐵，5為移動電磁鐵，6為異形輪廓體,11、12、13分別為用于實現x\y\z三軸平動的驅動裝置，14、15分別為用于實現α/β方向轉動的驅動裝置。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明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，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例I本實施例包括產生相互作用力的驅動部件I和運動發動部件2，以及設置在驅動部件I和運動發動部件2之間用于約束運動發動部件2位移方向的導向部件3。如圖I所示,在本實施例中，上述驅動部件I為固定電磁鐵，上述運動發動部件2為移動永磁鐵。初始時，固定電磁鐵豎直放置，用于產生豎直方向的磁極；移動永磁鐵水平放置，用于產生水平方向的永磁極，在固定電磁鐵的一個磁極端面和移動永磁鐵的側面安裝有水平放置的導向部件3。導向部件3包括定子和動子，其中，定子與固定電磁鐵的端面固連，動子與移動永磁鐵的側壁固連；移動永磁鐵的磁極方向與固定電磁鐵的磁極方向垂直。
根據磁場間相互作用原理，當移動永磁鐵的磁場與固定電磁鐵所產生磁場不一致時，如果電磁場足夠強，移動永磁鐵將向與電磁場磁極一致的方向發生偏轉或移動，直至移動永磁鐵磁場方向與固定電磁鐵的磁場方向一致的位置上時偏轉或移動停止。因此，對于如圖I所不機構，如果在固定電磁鐵激勵前，移動永磁鐵的磁場方向與固定電磁鐵所產生的磁場方向不一致，如圖I所示為垂直，那么移動永磁鐵的磁極方向在電磁場作用下將發生偏轉而致使移動永磁鐵偏轉。但是，由于移動永磁鐵受到水平導向部件的約束，使永磁磁極擺動的磁吸力只能在被導向的水平方向上輸出，從而移動永磁鐵在水平方向上(X或Y方向)能夠被吸引移動，即產生平動。這樣達到了固定電磁鐵豎直方向施加磁吸力，移動永磁鐵在水平方向上產生移動。并且，該移動位移的大小可以通過控制在固定電磁鐵中施加的電流強度即產生的電磁場強度或電磁場力強度進行控制。 同理，對固定電磁鐵加反向電流，產生與之前的相反方向的磁極即相反的電磁力，那么之前遠離固定電磁鐵的移動永磁鐵的極端將被吸引而向靠近固定電磁鐵的方向運動，同時，之前吸附在固定電磁鐵的移動永磁鐵的端部將受斥力而向遠離固定電磁鐵的方向運動。這樣，通過控制固定電磁鐵磁場強度，可使移動永磁鐵發生與之前相反的水平運動，直 至磁極重疊位置時停止。這樣,經過對固定電磁鐵施加一定強度的正反向電磁場，移動永磁鐵可以發生在水平方向上往復運動。實施例2實施例2為實施例I的變化例。如圖2 Ca)所示，本實施例在實施例I的基礎上，與實施例I的區別在于，將運動發動部件2更換為移動電磁鐵，驅動部件I更換為固定永磁鐵。實施例3實施例3為實施例I的變化例。如圖2 (b)所示，本實施例在實施例I的基礎上，與實施例I的區別在于，將運動發動部件2更換為移動電磁鐵，驅動部件I仍為固定電磁鐵，所施加的磁場間作用力均為電磁場力。實施例4實施例4為上述三個實施例的變化例。如圖3所示，實施例在上述三個實施例中的任一實施例的基礎上，導向部件3的動子與運動發動部件2的側壁固連，其定子連同運動發動部件2與驅動部件I呈Θ角固連，0〈θ〈180度，導向部件3呈Θ角設置在驅動部件I和運動發動部件2之間。這樣，基于實施例I的機理和驅動過程，運動發動部件2將在與驅動部件I呈Θ角的方向上往復運動。實施例5實施例5為實施例I、2或3的變化例。如圖4所示，本實施例在實施例I、2或3的基礎上，還包括異形輪廓體6，異形輪廓體6與運動發動部件2剛性連接隨動。基于實施例I的機理和驅動過程，運動發動部件2帶動異形輪廓體6往復運動，這樣與異形輪廓體6滑/滾動接觸的物體將在豎直方向上被驅動而上下往復運動。運動可被驅動部件I的電流或磁流控制。本實施例將電/磁力轉化為豎直方向的推動力，產生豎直方向運動的效果。
實施例6實施例6為實施例I、2或3的變化例。如圖5所示，本實施例在實施例I、2或3的基礎上，導向部件3為圓形導向部件3。圓形導向部件3連同運動發動部件2與驅動部件I呈Θ角固連，OS Θ〈180度。優選地，運動發動部件2為一個或一個以上移動永磁鐵的組合。基于實施例I的機理和驅動過程，移動永磁鐵或其組合將在圓形導向部件的約束下只產生轉動。該轉動角和方向可由驅動部件中的電流或磁流進行控制。實施例7實施例7為根據實施例I至5中提供的一個以上平動驅動裝置和實施例6中提供的一個以上轉動驅動裝置組合而成的多軸工作運動平臺。 如圖6所示，本實施例包括若干相互連接的用于實現X、y和/或ζ軸平動的驅動裝置以及用于實現α、β和/或Y方向轉動的驅動裝置。例如，如圖6(a)所示，選擇三個基于實施例1-5所實現的用于實現X、y和/或ζ軸平動的驅動裝置11、12、13，組合可以實現一個x\y\z三軸平動運動平臺。如圖6 (b)所示，在x\y\z三軸平動運動平臺上上增加實施例6所實現的用于實現α、β和/或Y方向轉動的驅動裝置，即如圖所示在驅動器11和驅動器12之間增加轉動驅動裝置15，使驅動裝置11整體可繞Z軸轉動；在驅動裝置11上安裝轉動驅動裝置14，使驅動裝置11整體運動時還可帶動被驅動物體產生繞X軸轉動，從而實現一個五軸工作運動平臺。以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
權利要求
1.一種基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置，其特征在于，包括產生相互作用力的驅動部件和運動發動部件，以及設置在驅動部件和運動發動部件之間用于約束運動發動部件位移方向的導向部件。
2.根據權利要求I所述的基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置，其特征在于，所述驅動部件為固定電磁鐵或固定永磁鐵，其豎直放置并產生豎直的磁極方向，所述運動發動部件為移動永磁鐵或移動電磁鐵，其水平放置并產生水平的磁極方向，所述導向部件包括定子和動子，其中，定子與驅動部件的一個磁極端面固連，動子與運動發動部件的側壁固連，所述導向部件水平設置在驅動部件和運動發動部件之間。
3.根據權利要求I或2所述的基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置，其特征在于，還包括異形輪廓體，所述異形輪廓體與運動發動部件剛性連接隨動。
4.根據權利要求I所述的基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置，其特征在于，所述驅動部件為固定電磁鐵或固定永磁鐵，其豎直放置并產生豎直的磁極方向，所述運動發動部件為移動永磁鐵或移動電磁鐵，其水平放置并產生水平的磁極方向，所述導向部件包括定子和動子，其中，動子與運動發動部件的側壁固連，定子連同運動發動部件與驅動部件呈Θ角固連，0〈 Θ〈180度，所述導向部件呈Θ角設置在驅動部件和運動發動部件之間。
5.根據權利要求I或2所述的基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置，其特征在于，所述導向部件為圓形導向部件，所述圓形導向部件連同運動發動部件與驅動部件呈Θ角固連，O彡Θ〈180度。
6.根據權利要求5所述的基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置，其特征在于，所述運動發動部件由若干個移動永磁鐵組合而成。
7.一種根據權利I至6中任一項所述的基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置組合而成的多軸工作運動平臺，其特征在于，包括若干相互連接的用于實現x、y和/或z軸平動的驅動裝置以及用于實現α、β和/或Y方向轉動的驅動裝置。
8.根據權利要求7所述的基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置組合而成的多軸工作運動平臺，其特征在于，所述用于實現X、y和/或ζ軸平動的驅動裝置為包括產生相互作用力的驅動部件和運動發動部件，以及設置在驅動部件和運動發動部件之間用于約束運動發動部件位移方向的導向部件；其中， 所述驅動部件為固定電磁鐵或固定永磁鐵，其豎直放置并產生豎直的磁極方向，所述運動發動部件為移動永磁鐵或移動電磁鐵，其水平放置并產生水平的磁極方向，所述導向部件包括定子和動子，其中，定子與驅動部件的一個磁極端面固連，動子與運動發動部件的側壁固連，所述導向部件水平設置在驅動部件和運動發動部件之間；或 所述運動發動部件為移動永磁鐵或移動電磁鐵，其水平放置并產生水平的磁極方向，所述導向部件包括定子和動子，其中，動子與運動發動部件的側壁固連，定子連同運動發動部件與驅動部件呈Θ角固連，0〈 Θ〈180度，所述導向部件呈Θ角設置在驅動部件和運動發動部件之間。
9.根據權利要求8所述的基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置組合而成的多軸工作運動平臺，其特征在于，所述用于實現x、y和/或ζ軸平動的驅動裝置還包括異形輪廓體，所述異形輪廓體與運動發動部件剛性連接隨動。
10.根據權利要求7所述的基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置組合而成的多軸工作運動平臺，其特征在于，所述用于實現α、β和/或Y方向轉動的驅動裝置為包括產生相互作用力的驅動部件和運動發動部件，以及設置在驅動部件和運動發動部件之間用于約束運動發動部件位移方向的導向部件；其中， 所述導向部件為圓形導向部件，所述圓形導向部件連同運動發動部件與驅動部件呈Θ角固連，O ( Θ <180度；所述運動發動部件由若干個移動永磁鐵組合而成。
全文摘要
本發明公開了一種基于永磁體和電磁體相互作用的位移驅動裝置及其組合，包括產生相互作用力的驅動部件和運動發動部件，以及設置在驅動部件和運動發動部件之間用于約束運動發動部件位移方向的導向部件，其中，驅動部件為固定電磁鐵或固定永磁鐵，所述運動發動部件為移動永磁鐵或移動電磁鐵。本發明直接實現了基于磁極偏轉而產生的直線往復平動或轉動運動，運動驅動直接，機構簡單，剛性好；容易實現大行程；也容易實現微行程；驅動位移精確；運動力、位移大小和精度可以通過精確施加磁場或電流的強度來控制，控制簡單、方便；將磁場直接用于驅動，電磁場與永磁場復合作用產生較大的驅動磁場，使機構的驅動力大，驅動響應快，效率高。
文檔編號H02K7/06GK102946164SQ201210393968
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月17日 優先權日2012年10月17日
發明者楊斌堂 申請人:上海交通大學