专利名称：一种微型直线电机及其驱动方式的制作方法
技术领域：
本发明属于直线电机技术领域，特别是涉及一种微型直线电机及其驱动方式。
背景技术：
随着机器人技术的不断发展，微型机器人已经在不断的应用于人们的生产 和生活中。冲击式的驱动方式是比较适合应用于微型机器人的驱动方式之一， 它要求驱动器具有体积小、输出力大和直线输出的特点。传统的釆用旋转机构 转变为直线运动的方式，结构复杂，不但不能保证体积的要求，而且可靠性低。 利用直线电机直接驱动是比较好的解决方案，但是现有直线电机大多是针对特
定应用场合设计，通用性较差或是由于结构限制不利于微型化，或是微型化 后输出力难以达到要求。而且在冲击式驱动中，釆用不同的机理，也会要求驱 动器具有不同的输出特性。
发明内容
针对上述存在的技术问题，根据一种冲击式驱动的机理，本发明提供一种 微型直线电机及其驱动方式，该电机在保证一定的输出力和输出特性的条件下， 具有很小的体积。
本发明的电机结构，包括端盖、内部铁心、外部磁轭、线圏、线圈支架及 两个磁钢，两磁钢同极相对置于内部铁心两端，两磁钢外端分别安装有端盖， 在两端盖内，磁钢与内部铁心的外周置有两对称的弧形磁轭，两弧型磁轭在内 部铁心外周大致成圆环型，在两弧形磁轭间形成滑道，磁轭与内部铁心及磁轭 与磁钢之间形成气隙，端盖、磁钢、外部磁轭和内部铁心连接在一起；线圏置 于内部铁心与磁轭之间，线圏上固定有线圈支架，线圈支架两端通过滑道穿出 磁轭，线圈及线圈支架可在磁轭间的滑道上滑动，其中内部铁心部分和线圈部 分分别为动子或定子。
所述的磁钢直径大于等于内部铁心的直径。磁钢为圆柱槽型结构，当磁钢 直径大于内部铁心的直径时，在所述槽壁上对称开有两个凹槽，凹槽宽度与磁 轭滑道宽度相同，且安装磁钢时的凹槽位置与磁轭滑道位置相对应，为线圈支 架行程末端位置。所述的电机外径为6-10mm,电机长度为10-18mm,电机动子 运动行程为2-4mm,磁钢厚度为1-4隨i，磁钢凹槽深度为0-l隱，内部铁心长度 为6-10mm,内部铁心直径为3-6,，气隙厚度为O. 4-l鹏。
本发明微型直线电机的端盖、磁钢、外部磁轭和内部铁心连接在一起构成 滑块，线圈支架与外部机构相连，其驱动方式包括如下运动阶段
阶段1:滑块位于外部设备外壳的初始端，接通电机电源，滑块向终端加 速运动，外壳克服外部的摩擦向初始端加速运动；阶段2:滑块运动一段距离后改变电机电流方向，滑块开始作减速运动， 此时外壳也因改变受力方向而作减速运动；
阶段3:外壳速度比滑块速度先减小到零，通过控制电机电流，使滑块与外 壳之间的作用力小于外壳与环境的摩擦力，壳体保持静止，使滑块的速度逐渐 减小到零；
阶段4:通过控制电机电流，控制外壳与滑块的作用力，使的外壳在外部 摩擦力的作用下保持静止状态，，滑块向初始端缓慢运动，直到滑块返回到相对 于外壳的初始位置，开始下一个循环。
本发明具有如下优点
1. 本发明将两块磁钢同极相对放置，内部铁心和外部磁轭磁化后等效 为磁铁的两级，磁路的封闭性比较好，在气隙中形成比较理想的磁场。
2. 磁钢直径可以大于或等于铁心直径，当安装不同直径的铁心时，可 以得到不同的输出特性；磁钢直径大于铁心直径时，磁钢所形成的侧极使 得主极磁钢在铁心边缘的磁漏降低，增加了气隙磁通密度。
3. 线圈及其线圈支架部分和内部铁心、磁钢及磁轭部分可以分别作为 定子，分别用于需要大惯性和小惯性的场合。
4. 本发明电机结构简单、小巧，构思新颖，易于小型化，适合作为微 小型机构的驱动器。
5. 采用本发明直线电机的结构，则可以省去中间的转化机构，提高设 备的可靠性和效率。
图1为本发明的装配示意图。 图2为本发明剖视示意图。 图3为图2的A-A剖视图。 图4为本发明磁钢结构示意图。 图5为图4的左视图。 图6为本发明线圈支架结构示意图。 图7为图6的侧视局部剖视示意图。 图8为本发明端盖结构示意图。 图9为图8左视图。 图10为本发明电机驱动过程示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图详细说明本发明。
实施例1:如图1--图3所示，本发明包括端盖1、内部铁心6、外部磁轭3、 线圈5、线圈支架4及两个磁钢2，两磁钢2同极相对置于内部铁心6两端，两 磁钢2外端分别安装有端盖1，在两端盖1内，磁钢2与内部铁心6的外周置有 两对称的弧形磁轭3，两弧形磁轭3间形成滑道11，两弧型磁轭3在铁心6外周大致成圆环型，磁轭3与内部铁心6及磁轭3与磁钢2之间形成气隙，线圈5 置于内部铁心6与磁轭2之间，线圈5上固定有线圈支架4，线圈支架4通过滑 道11穿出磁轭3，线圈支架4可在磁轭3的滑道11上滑动。
本发明的端盖l、磁钢2、外部磁轭3和内部铁心6连接在一起，线圈支 架4和线圈5固定在一起，这两部分可分别作为定子和动子，可以互换。本发 明将线圈5及其线圈支架4作为定子，内部铁心6、磁钢2及磁轭3作为动子时， 电机的质量大部分集中在动子上，由于动子具有较大的惯力，适合于利用冲击 式驱动的微型机构。反之，将线圈5及其线圈支架4作为动子，内部铁心6、磁 钢2及磁轭3作为定子时，动子惯性小，适合于一般要求具有较快响应速度的 场合。工作时当线圈5中通一定频率的电流时，在电机动子和定子之间将产生 一个随电流方向变化的力，因此动子将以与电源相同的频率进往复的运动，驱 动负载。
如图6、图7所示，为本例线圈支架4的结构示意图。线圈支架4为带有 两个伸出端9的圆环型结构，其可带动线圈5在滑道11内沿内部铁心6滑动。 通过两伸出端9与外部其它器件连接，起到固定或输出动力的作用，并可同时 起到通气、散热和减小空气阻尼的效果。
如图4、图5所示，本例的磁钢2为圆柱槽型结构，在所述槽壁7上对称 开有两个凹槽8，凹槽8宽度与磁轭3滑道宽度相同，且安装磁钢2时的凹槽8 位置与磁轭3滑道位置相对应，两侧的凹槽8为线圈支架4行程末端位置。磁 钢2直径大于内部铁心6的直径，其中凹槽8与内部铁心6相配合，作为主磁 极，而突起的槽壁7部分作为侧极，减少了与铁心等径部分的主极磁钢的漏磁， 并且主极与侧极磁势相互叠加，进一步增大了磁通密度，使线圈5能够与侧极9 向接触，在行程范围内产生了两端磁密较大，中间磁密比较均匀的磁场，因此 输出力也是在两端比较大而中间部分比较平稳。
如图8、图9所示，为本例的端盖l结构示意图。端盖1结构与磁钢2和 磁轭3相连接处结构相配合，使电机形成一体。
本例中电机的外径为10mm，总体长度为18mm，动子的运动行程为4mm,磁 钢厚度4mm，磁钢凹槽深度为lmm,内部铁心长度为10隱，内部铁心直径为6mm, 气隙厚度为lmm。
本发明工作原理是利用磁钢2在气隙10产生垂直于内部铁心6表面的磁 场。该磁场的方向与线圈5中电流的方向相垂直。当线圈5中通有直流电时， 线圈5将受到一个沿轴向的力，内部铁心6及磁轭3等部分受到反作用力，产 生相对运动，线圈5将在内部铁心6的表面向着一极滑动。当改变电流的方向 时，线圈5的受力反向，则改变运动方向。通过外部电路控制电流方向即可控 制电机的正反向运动，可实现电机的振荡运动，还可以通过控制外加电压的大 小和频率来控制振动的频率和振幅。当作为驱动电机使用时，改变电压则可以 改变电机的输出力。
实施例2:如图1 —图3所示，本发明包括端盖l、内部铁心6、外部磁轭3、 线圈5、线圈支架4及两个磁钢2，两磁钢2同极相对置于内部铁心6两端，两磁钢2外端分别安装有端盖1,在两端盖1内，磁钢2与内部铁心6的外周置有 两对称的弧形磁轭3，两弧形磁轭3间形成滑道11,两弧型磁轭3在铁心6外 周大致成圆环型，磁轭3与内部铁心6及磁轭3与磁钢2之间形成气隙，端盖1、 磁钢2、外部磁轭3和内部铁心6连接在一起；线圈5置于内部铁心6与磁轭2 之间，线圏5上固定有线圈支架4，线圈支架4通过滑道11穿出磁轭3，线圏 支架4可在磁轭3的滑道11上滑动。
本例中磁钢2直径等于铁心6的直径，本例的磁钢2为圆柱型结构，此时电 机内部的磁场在整个行程中分布比较均匀，因此也比较容易得到较平稳的输出 力。适用于一般的要求输出力具有平稳特性的场合。本例的其它零件结构均与 实施例l相同。电机参数如下电机外径为6mm，总体长度为10mm，动子的运 动行程为2咖，磁钢厚度为l隱，内部铁心长度为6隱，内部铁心直径为3隱，气 隙厚度为0. 4nim。
实施例3:本例电机结构与实施例1相同，磁钢2直径大于铁心6的直径， 电机参数如下电机外径为8mni，总体长度为14mm,动子的运动行程为3mm,磁 钢厚度为2. 5n加，磁钢凹槽深度为0. 5mm，内部铁心长度为8mm，内部铁心直径 为5mm，气隙厚度0. 7mm。
采用本发明的微型直线电机驱动机器人，如图10所示，其中所述电机的端 盖l、磁钢2、外部磁轭3和内部铁心6连接在一起构成滑块12,该电机的驱动
方式包括如下运动阶段
阶段1:滑块12位于机器人外壳13的初始端，接通电机电源，滑块12与 外壳13间产生作用力，滑块U向终端加速运动，外壳U受到反作用力，向初 始端加速运动；
阶段2.滑块12运动一段距离后改变电机电流方向，从而改变电机内力的方 向，使滑块12开始作减速运动，此时外壳13也因改变受力方向而作减速运动；
阶段3.由于外部摩擦的存在，外壳速度比滑块12速度先减小到零，此时相 对于起始位置外壳13已经向前移动了一段距离，通过控制电机电流，使滑块12 与外壳13之间的作用力小于外壳13与环境的摩擦力，保持外壳13的静止，使 滑块12的速度逐渐减小到零；
阶段4.通过控制电机电流，控制外壳13与滑块12的作用力，使滑块12向 初始端缓慢的运动，而使外壳13在外部摩擦力的作用下保持静止状态，直到滑 块12返回初始位置，开始下一个循环。
权利要求
1.一种微型直线电机，其特征在于包括端盖、内部铁心、外部磁轭、线圈、线圈支架及两个磁钢，两磁钢同极相对置于内部铁心两端，两磁钢外端分别安装有端盖，在两端盖内，磁钢与内部铁心的外周置有两对称的弧形磁轭，两弧型磁轭在内部铁心外周大致成圆环型，在两弧形磁轭间形成滑道，磁轭与内部铁心及磁轭与磁钢之间形成气隙，端盖、磁钢、外部磁轭和内部铁心连接在一起；线圈置于内部铁心与磁轭之间，线圈上固定有线圈支架，线圈支架两端通过滑道穿出磁轭，线圈及线圈支架可在磁轭间的滑道上滑动，其中内部铁心部分和线圈部分分别为动子或定子。
2. 如权利要求l所述的微型直线电机，其特征在于所述的磁钢直径 大于等于内部铁心的直径。
3. 如权利要求l所述的微型直线电机，其特征在于当磁钢直径大于 内部铁心的直径时，所述磁钢为圆柱槽型结构，在所述磁钢槽壁上对称开 有两个凹槽，凹槽宽度与磁轭滑道宽度相同，且安装磁钢时的凹槽位置与 磁轭滑道位置相对应，为线圈支架行程末端位置。
4. 如权利要求l所述的微型直线电机，其特征在于所述的电机外径 为6-10隱，电机长度为10-18imn，电机动子运动行程为2-4i腿，磁钢厚度为 l-4mm，磁钢凹槽深度为O-lnim，内部铁心长度为6-10nim,内部铁心直径为 3-6ram,气隙厚度为0. 4-lram。
5. 如权利要求l所述的微型直线电机的驱动方式，所述电机的端盖、 磁钢、外部磁轭和内部铁心连接在一起构成滑块，线圏支架与外部机构相^段1:滑块位于外部设备外壳的初始端，接通电机电源，滑块向终 端加速运动，外壳克服外部的摩擦向初始端加速运动；阶段2:滑块运动一段距离后改变电机电流方向，滑块开始作减速运 动，此时外壳也因改变受力方向而作减速运动；阶段3:外壳速度比滑块速度先减小到零，通过控制电机电流，使滑 块与外壳之间的作用力小于外壳与环境的摩擦力，壳体保持静止，使滑块的速度逐渐减小到零；阶段4:通过控制电机电流，控制外壳与滑块的作用力，使的外壳在 外部摩擦力的作用下保持静止状态，滑块向初始端缓慢运动，直到滑块 返回到相对于外壳的初始位置，开始下一个循环。
全文摘要
一种微型直线电机及其驱动方式，属于直线电机技术领域。该电机结构包括端盖、内部铁心、外部磁轭、线圈、线圈支架及两个磁钢，两磁钢同极相对置于内部铁心两端，两磁钢外端分别安装有端盖，在两端盖内，磁钢与内部铁心的外周置有两对称的弧形磁轭，两弧型磁轭在内部铁心外周大致成圆环型，在两弧形磁轭间形成滑道，磁轭与内部铁心及磁轭与磁钢之间形成气隙，线圈置于内部铁心与磁轭之间，线圈上固定有线圈支架，线圈支架两端通过滑道穿出磁轭，线圈及线圈支架可在磁轭间的滑道上滑动。本发明两磁钢同极相对放置，磁路的封闭性比较好，在气隙中形成比较均匀的磁场。本发明结构简单，适合作为微小型机构的驱动器。
文档编号H02K33/18GK101630891SQ200810012338
公开日2010年1月20日 申请日期2008年7月16日 优先权日2008年7月16日
发明者李洪谊, 刚 苏 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所