超磁致伸缩驱动的双向蠕动式微型直线电机和控制方法与流程

本发明涉及一种微型电机，具体的说，是一种超磁致伸缩驱动的双向蠕动式微型直线电机和控制方法，可用于生物工程、微型零件操作与装配、机器人以及精密机械、医疗器械等领域。

背景技术：

微型电机是实现精密驱动的一种能量转换装置，它具有运动行程大、位移分辨率高和结构简单等优点，能够在步进运动的同时实现精密定位。目前，微型电机，尤其是大行程、高定位精度的微型直线电机在生物工程、微型零件操作与装配、机器人以及精密机械、医疗器械等领域应用非常广泛。

现有的微型直线电机多采用压电材料进行驱动，利用的是压电陶瓷的逆压电效应，通过对压电陶瓷片施加电场，使其产生形变，将电能转化为机械能，实现精密驱动的一种微型装置。

但是压电材料本身存在很多缺陷，如变形量小、能量转换率低、高电压驱动、受温度影响大、电极容易击穿等，导致现有的压电式微型直线电机存有运动速度缓慢、负载能力差、危险性高、稳定性不足等问题，使其应用范围得到了极大的限制。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明公开一种超磁致伸缩驱动的双向蠕动式微型直线电机和控制方法，实现一种带载能力强、移动速度可调节、移动方向可变、移动步长可变、行程大、定位精度高、低电压驱动的蠕动式微型直线电机。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种超磁致伸缩驱动的双向蠕动式微型直线电机，其特征在于：包含平面导轨、电磁线圈a、铁芯a、推杆a、挡块a、螺钉a、端盖a、碟簧a、导磁块a、超磁致伸缩棒、外套筒、电磁线圈c、线圈骨架、相变材料、相变材料容器、螺钉b、导磁块b、推杆b、碟簧b、挡块b、螺钉c、端盖b、电磁线圈b和铁芯b。

所述超磁致伸缩棒具有磁致伸缩效应，当所受磁场增强时，其伸长，反之，缩短；所述铁芯a与电磁线圈a，铁心b与电磁线圈b紧密配合，无相对滑动，组成电磁铁；所述平面导轨为铁质材料，能被通电的电磁线圈吸引，且导轨平面光滑，摩擦系数小；所述相变材料填充于相变材料容器中，为超磁致伸缩棒降温散热，使其性能稳定。

一种超磁致伸缩驱动的双向蠕动式微型直线电机控制方法，其特征在于：包含以下步骤：

(a)初始状态：电磁线圈a通电，电磁线圈b、c均不通电，此时电磁线圈a和铁芯a组成的电磁铁吸紧在平面导轨上，电磁线圈b端处于松开状态，保证电磁线圈c没有通电时，电机的位置保持不变；

(b)伸长动作：电磁线圈c通电，产生驱动磁场，超磁致伸缩棒在磁场作用下伸长，由于电磁线圈a端处于吸紧状态，电磁线圈b端处于松开状态，超磁致伸缩棒向电磁线圈b端伸长；

(c)固定位移量：电磁线圈b通电，使电磁线圈b和铁芯b组成的电磁铁吸紧在平面导轨上，此时，电磁线圈a、b端均处于吸紧状态，使超磁致伸缩棒的伸长量保持固定不变；

(d)预前进动作：电磁线圈a断电，使电磁线圈a端处于松开状态，为下一步电机的前进动作做好准备；

(e)前进动作：电磁线圈c断电，使超磁致伸缩棒失去磁场，恢复到原长，由于电磁线圈a端松开，电磁线圈b端吸紧，导致电机整体向电磁线圈b端前进了一定的位移量；

(f)恢复初始状态：电磁线圈a通电，电磁线圈b断电，准备下一个运动周期。

若把电磁线圈a和电磁线圈b的通断电顺序对调，则电机会朝电磁线圈a端方向运动；若改变电磁线圈a、电磁线圈b、电磁线圈c的通断电频率，可对电机的前进速度进行调节，使电机的前进速度具有可调节性；若改变电磁线圈c通入电流的大小，可对电机的步长进行调节，实现变步长功能。

本发明公开一种超磁致伸缩驱动的双向蠕动式微型直线电机和控制方法，其结构由平面导轨、电磁线圈a、铁芯a、推杆a、挡块a、螺钉a、端盖a、碟簧a、导磁块a、超磁致伸缩棒、外套筒、电磁线圈c、线圈骨架、相变材料、相变材料容器、螺钉b、导磁块b、推杆b、碟簧b、挡块b、螺钉c、端盖b、电磁线圈b和铁芯b组成；通过控制电磁线圈a、b、c的通断电顺序，可实现电机的前进和后退，通过改变通断时间的频率可控制前进或后退的速度，提供了一种带载能力强、移动速度可调节、移动方向可变、移动步长可变、行程大、定位精度高、低电压驱动的蠕动式微型直线电机。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施或现有技术中的技术方案，下面将实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1为本发明中一种超磁致伸缩驱动的双向蠕动式微型直线电机的结构示意图；

图2为图1的三维结构示意图；

图3为本发明中一种超磁致伸缩驱动的双向蠕动式微型直线电机控制方法步骤的示意图；

图4为本发明中一种超磁致伸缩驱动的双向蠕动式微型直线电机控制方法的程序流程图。

图中1、平面导轨，2、电磁线圈a，3、铁芯a，4、推杆a，5、挡块a，6螺钉a，7、端盖a，8、碟簧a，9、导磁块a，10、超磁致伸缩棒，11、外套筒，12、电磁线圈c，13、线圈骨，14、相变材，15、相变材料容，16、螺钉，17、导磁块，18、推杆，19、碟簧，20、挡块，21、螺钉，22、端盖，23、电磁线圈b，24、铁芯b。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，本发明公开一种超磁致伸缩驱动的双向蠕动式微型直线电机，包含平面导轨、电磁线圈a、铁芯a3、推杆a4、挡块a、螺钉a、端盖a、碟簧a、导磁块a、超磁致伸缩棒、外套筒、电磁线圈c、线圈骨架、相变材料、相变材料容器、螺钉b、导磁块b、推杆b、碟簧b、挡块b、螺钉c、端盖b、电磁线圈b和铁芯b；

所述超磁致伸缩棒具有磁致伸缩效应，当所受磁场增强时，其伸长，反之，缩短；

所述铁芯a与电磁线圈a，铁心b与电磁线圈b紧密配合，无相对滑动，组成电磁铁；

所述平面导轨为铁质材料，能被通电的电磁线圈吸引，且导轨平面光滑，摩擦系数小；

所述相变材料填充于相变材料容器中，为超磁致伸缩棒降温散热，使其性能稳定。

如图3所示，本发明公开一种超磁致伸缩驱动的双向蠕动式微型直线电机控制方法，包含以下步骤：

(a)初始状态：电磁线圈a通电，电磁线圈b、c均不通电，此时电磁线圈a和铁芯a组成的电磁铁吸紧在平面导轨上，电磁线圈b端处于松开状态，保证电磁线圈c没有通电时，电机的位置保持不变；

(b)伸长动作：电磁线圈c通电，产生驱动磁场，超磁致伸缩棒在磁场作用下伸长，由于电磁线圈a端处于吸紧状态，电磁线圈b端处于松开状态，超磁致伸缩棒向电磁线圈b端伸长；

(c)固定位移量：电磁线圈b通电，使电磁线圈b和铁芯b组成的电磁铁吸紧在平面导轨上，此时，电磁线圈a、b端均处于吸紧状态，使超磁致伸缩棒的伸长量保持固定不变；

(d)预前进动作：电磁线圈a断电，使电磁线圈a端处于松开状态，为下一步电机的前进动作做好准备；

(e)前进动作：电磁线圈c断电，使超磁致伸缩棒失去磁场，恢复到原长，由于电磁线圈a端松开，电磁线圈b端吸紧，导致电机整体向电磁线圈b端前进了一定的位移量；

(f)恢复初始状态：电磁线圈a通电，电磁线圈b断电，准备下一个运动周期。

如图4所示，本发明公开一种超磁致伸缩驱动的双向蠕动式微型直线电机控制方法，若把电磁线圈a和电磁线圈b的通断电顺序对调，则电机会朝电磁线圈a端方向运动；若改变电磁线圈a、电磁线圈b、电磁线圈c的通断电频率，可对电机的前进速度进行调节，使电机的前进速度具有可调节性；若改变电磁线圈c通入电流的大小，可对电机的步长进行调节，实现变步长功能。

本发明的蠕动式前进原理：基于磁致伸缩效应，超磁致伸缩棒在磁场作用下，会变形，在一定范围内，随着磁场强度的增加，其变形量越大。本发明在超磁致伸缩棒的两端分别联接电磁铁，通过控制电磁铁的通断电状态，使超磁致伸缩棒的两端与平面导轨之间处于吸紧或松开状态，使得超磁致伸缩棒向单方向变形，如同蚯蚓一样蠕动式前进。

本发明的换向原理：在上述蠕动式前进原理的基础上，本发明只需通过调换超磁致伸缩棒两端电磁铁的通断电状态，即可改变本发明的前进方向。

本发明的调速和变步长原理：由于本发明只需控制电磁线圈a、b、c的通断电顺序，即可实现前进动作，因此，只需改变电磁线圈a、b、c的通断电频率，即可实现本发明的调速功能；由于超磁致伸缩棒的变形量与所受磁场强度有关，因此，只需改变通入电磁线圈c的电流大小，即可改变本发明的步长值，起到变步长的作用。

综上所述，本发明公开一种超磁致伸缩驱动的双向蠕动式微型直线电机和控制方法，其结构由平面导轨、电磁线圈a、铁芯a、推杆a、挡块a、螺钉a、端盖a、碟簧a、导磁块a、超磁致伸缩棒、外套筒、电磁线圈c、线圈骨架、相变材料、相变材料容器、螺钉b、导磁块b、推杆b、碟簧b、挡块b、螺钉c、端盖b、电磁线圈b和铁芯b组成；通过控制电磁线圈a、b、c的通断电顺序，可实现电机的前进和后退；通过改变通断时间的频率可控制前进或后退的速度；通过改变电磁线圈c通入电流的大小，可改变电机的步长值；提供一种带载能力强、移动速度可调节、移动方向可变、移动步长可变、行程大、定位精度高、低电压驱动的蠕动式微型直线电机。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或其任何其他变体意在涵盖非排他性地包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或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，并非排除在所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。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。