基于铁镓合金实现三级控制的线性电机及其使用方法

摘要

本发明公开了一种基于铁镓合金实现三级控制的线性电机，包括定子铁芯、直线轴以及制动器；定子铁芯内设置直线轴；所述直线轴包括磁致伸缩材料，在磁致伸缩材料的左、右两端分别设置导磁铁芯；在左、右两端的导磁铁芯上分别设置有环状永磁体Ⅰ和环状永磁体Ⅱ；相对应于铁镓合金、环状永磁体Ⅰ和环状永磁体Ⅱ，在定子铁芯内分别设置有微动线圈、长行程线圈Ⅱ和长行程线圈Ⅰ；制动器包括左侧制动器和右侧制动器；所述左侧制动器和右侧制动器分别设置在左侧的导磁铁芯和右侧的导磁铁芯上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种长行程高定位精度线性电机，尤其是一种基于铁镓合金实现三级控制 的线性电机及其使用方法。

背景技术

现下，实现长行程高定位精度的方法主要有如下四种：

第一种方法是利用伺服电机驱动丝杠实现长行程定位，丝杠滑台上安装有压电陶瓷 或磁致伸缩驱动器实现高精度微位移定位；这种方法具有长行程响应速度快，定位精度高 的优点；专利（申请号：CN201210340082公开号：CN102830711A）是采用这种方法实现 长行程高定位精度。

第二种方法是直接利用压电陶瓷或者磁致伸缩驱动器先采用蠕虫运动方式实现长行 程定位，然后利用压电陶瓷或者磁致伸缩材料实现高精度微位移定位；这种方法利用压电 陶瓷或者磁致伸缩驱动器步进运动实现长行程定位。因为压电陶瓷或者磁致伸缩驱动器步 进距离小，需要高频信号实现快速运动。专利（申请号：CN200410072545公开号： CN100388612C；申请号：CN200510013559；公开号CN1693028A；申请号：CN200820155609 公开号：CN201294459Y）均是采用这种方法，利用压电陶瓷实现大行程纳米级步距。

第三种方法是利用直线电机实现长行程定位，直线电机运动滑台上安装有压电陶瓷 或磁致伸缩驱动器实现高精度微位移定位。这种方法中的直线电机具有较高的响应速度， 与压电陶瓷或者磁致伸缩驱动器实现长行程高精度定位。专利（申请号：CN201010230855 公开号：CN101924450A）是利用这种方法采用直线音圈电机实现长行程高定位精度。

第四种方法是采用压电陶瓷或其他智能材料结合位移放大机构和导向机构实现一定 行程高精度定位这种方法是采用压电陶瓷结合位移放大机构和导向机构实现一定行程高 精度定位。专利（申请号：CN201310145711公开号：CN103225728A；申请号：CN201210390352 公开号：CN102922309A）采用这种方法实现二维并联微动平台。

上述四种方法都可以实现长行程高精度定位，但是第一种方法和第三种方法为长行 程定位机构和微定位机构在结构上是相互独立的，造成整个机构体积浮肿，结构复杂；而 第二种方法实现大行程响应的速度低于第一种方法；第四种方法则只能实现有限大行程。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的基于铁镓合金实现三级控制的线性 电机。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于铁镓合金实现三级控制的线性电机，包 括定子铁芯、直线轴以及制动器；定子铁芯内设置直线轴；所述直线轴包括磁致伸缩材料， 磁致伸缩材料的左、右两端分别设置导磁铁芯；所述左、右两端的导磁铁芯上分别设置 有环状永磁体Ⅰ和环状永磁体Ⅱ；相对应于铁镓合金、环状永磁体Ⅰ和环状永磁体Ⅱ，在 定子铁芯内分别设置有微动线圈、长行程线圈Ⅱ和长行程线圈Ⅰ；所述制动器包括左侧制 动器和右侧制动器；所述左侧制动器和右侧制动器分别对应于左侧的导磁铁芯和右侧的导 磁铁芯上。

作为所述的基于铁镓合金实现三级控制的线性电机的改进：所述环状永磁体Ⅰ和环状 永磁体Ⅱ的磁极相反。

作为所述的基于铁镓合金实现三级控制的线性电机的进一步改进：所述磁致伸缩材料 为铁镓合金。

作为所述的基于铁镓合金实现三级控制的线性电机的进一步改进：所述制动器包括柔 性铰链和吸盘式的电磁铁；柔性铰链固定在外部支撑架上；所述电磁铁通过磁力驱动柔性 铰链在导磁铁芯上形成摩擦力。

作为所述的基于铁镓合金实现三级控制的线性电机的进一步改进：所述定子铁芯由导 磁材料或者磁粉SMC材料构成；所述微动线圈、长行程线圈Ⅱ和长行程线圈Ⅰ均通过线圈 支架内嵌在定子铁芯内，所述线圈支架均由非金属材料尼龙或者胶木加工而成。

作为所述的基于铁镓合金实现三级控制的线性电机的进一步改进：所述直线轴两端的 导磁铁芯上分别套装有弹簧；左端导磁铁芯上弹簧的一端抵住左侧制动器，另外一端抵住 定子铁芯；右端导磁铁芯上弹簧的一端抵住右侧制动器，另外一端抵住定子铁芯。

一种基于铁镓合金实现三级控制的线性电机的使用方法：包括长行程控制和微动控 制，长行程控制和微动控制步骤分别如下：长行程控制步骤：第一步，长行程线圈Ⅱ和长 行程线圈Ⅰ分别通入正向电流和反向电流后，环状永磁体Ⅰ和环状永磁体Ⅱ与长行程线圈 Ⅱ和长行程线圈Ⅰ之间相互作用，形成向左或者向右的作用力F；第二步，通过作用力F 带动直线轴向左或者向右运行的预定区间后，通过与直线轴运行方向反方向的制动器制动 直线轴，长行程线圈Ⅱ和长行程线圈Ⅰ分别断电；微动控制步骤：第三步，微动线圈通电， 铁镓合金向步骤二中的直线轴上没有被制动的一端伸长ΔL，再通过铁镓合金伸长方向的 制动器制动直线轴；第四步，微动线圈断电，铁镓合金步骤二中的直线轴上被制动一端的 制动器断开制动；第五步，铁镓合金缩短ΔL，带动步骤四中，铁镓合金没有被制动一侧 的直线轴回缩ΔL；第六步，循环第三步、第四步和第五步，并通过对微动线圈通电 量的控制完成线性电机的多级微动控制。

本发明的有益效果：将磁致伸缩材料铁镓合金放置到直线电机中，构成直线电机磁 路的一部分，结合常规直线电机驱动的方法，直线蠕虫步进电机驱动方法和智能材料微移 位驱动方法，实现厘米-微米-纳米行程控制。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明基于铁镓合金实现三级控制的线性电机及其使用方法的主要结构示意 图；

图2是图1在长行程控制状态下的结构示意图一；

图3是图1在长行程控制状态下的结构示意图二；

图4是图1在微动控制状态下的结构示意图一；

图5是图1在微动控制状态下的结构示意图二；

图6是图1在微动控制状态下的结构示意图三；

图7是图1在长行程控制状态下的另外一种结构示意图；

图8是图1在铁镓合金励磁磁通结构示意图。

具体实施方式

实施例1、图1到图8给出了一种基于铁镓合金实现三级控制的线性电机及其使用方法； 其中，基于铁镓合金实现三级控制的线性电机包括定子铁芯6、直线轴1以及制动器；定子 铁芯6内设置直线轴1；直线轴1包括铁镓合金11，以及分别设置在铁镓合金11左、右两侧 的导磁铁芯9；在左、右两侧的导磁铁芯9上分别设置环状永磁体Ⅰ8和环状永磁体Ⅱ12（环 状永磁体Ⅰ8和环状永磁体Ⅱ12的磁极相反，即环状永磁体Ⅰ8的外侧面为N极，而环状永 磁体Ⅱ12的外侧面为S极）；环状永磁体Ⅰ8和环状永磁体Ⅱ12均是由四个四分之一的环状 永磁体拼接构成的。相对于铁镓合金11、环状永磁体Ⅰ8和环状永磁体Ⅱ12，在定子铁芯6 内分别设置有微动线圈5、长行程线圈Ⅱ7和长行程线圈Ⅰ4；分别通过长行程线圈Ⅱ7和环 状永磁体Ⅰ8以及长行程线圈Ⅰ4和环状永磁体Ⅱ12之间的相互作用，形成向右或者向左的 作用力F，再通过这个作用力F就可以推动直线轴1向左或者向右做长行程运动；而通过微 动线圈5，则可以驱动铁镓合金发生形变，通过铁镓合金发生的形变，可以实现直线轴1 的微动。

制动器分为左侧制动器10和右侧制动器2；相对于直线轴1两端的导磁铁芯9，分别设 置左侧制动器10和右侧制动器2；直线轴1两端的导磁铁芯9上分别套装有弹簧；左端导磁 铁芯9上弹簧的一端抵住左侧制动器10，另外一端抵住定子铁芯6；右端导磁铁芯9上弹簧 的一端抵住右侧制动器2，另外一端抵住定子铁芯6；通过弹簧，可以使得直线轴1快速的 复位。

制动器包括柔性铰链和电磁铁，柔性铰链固定在外部支撑架上，而电磁铁为吸盘式 的电磁铁，在需要制动的时候，在电磁铁上通入电流，就可以由电磁铁驱动柔性铰链在直 线轴1上形成摩擦力，继而制动直线轴1。以上所述的定子铁芯6由导磁材料或者磁粉SMC 材料构成，而微动线圈5、长行程线圈Ⅱ7和长行程线圈Ⅰ4均通过线圈支架内嵌在定子铁 芯6内，线圈支架均由非金属材料尼龙或者胶木加工而成。

使用的时候，步骤如下(长行程线圈Ⅱ7内通入的电流为Ia，长行程线圈Ⅰ4内通入的 电流为Ib)：

1、长行程线圈Ⅱ7内通入正向电流；长行程线圈Ⅰ4内通入反向电流；此时，长行程 线圈Ⅱ7和长行程线圈Ⅰ4分别与环状永磁体Ⅰ8和环状永磁体Ⅱ12相互作用后，产生从左 到右的力作用力F，带动直线轴1从左到右运动；

2、直线轴1从左到右运动至规定的节点的时候，将左侧制动器10制动，限制直线轴1 从左到右的运动；

3、长行程线圈Ⅱ7和长行程线圈Ⅰ4分别断电；

4、微动线圈5通电（微动线圈5磁通方向与环状永磁体Ⅰ8和环状永磁体Ⅱ12的磁通 方向相同），铁镓合金11向右侧伸长（铁镓合金11在磁场内发生形变），此时，步骤2中， 左侧制动器10仅仅限制铁镓合金11左侧导磁铁芯9的运动，但是铁镓合金11发生形变后可 以向右侧伸长，铁镓合金11右侧的导磁铁芯9并没有被右侧制动器2制动；

5、向右侧微动到规定的行程ΔL后，就通过右侧制动器2制动，限制右侧的导磁铁芯 9的运动，并取消左侧制动器10的制动，微动线圈5断电，此时，由于铁镓合金11缩短ΔL， 但是由于右侧的导磁铁芯9被右侧制动器2制动，无法缩回，所以，左侧的导磁铁芯9向 右侧运行ΔL；

6、通过循环以上的步骤4和步骤5，就可以对直线轴1进行微米级的驱动，而通过精 确控制微动线圈5的电流，就可以对直线轴1进行纳米级的驱动。

如果需要进行从右到左的线性控制，则只需要在以上步骤的基础上，输入反向的电 流即可。

通过本发明对比以上所述的长行程高定位精度方法，本发明专利将智能材料铁镓合 金应用到常规直线电机中，使得长行程定位机构和微定位机构并不相互独立，真正实现一 体化，显著减少整个装置体积。因为长行程采用的是直线电机驱动，本发明保留了方法一 和三响应速度快的优点；又因为微位移采用智能材料铁镓合金，其微位移驱动方式又具有 方法二和四的优点。综上，本发明专利所提结构显著特征是将直线电机驱动、磁致伸缩材 料铁镓合金料步进驱动以及微定位驱动融为一体，具有体积小、大行程和响应速度快的优 点。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不 限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接 导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。