一种磁-压电双向步进式大位移作动器及其作动方法技术

一种磁-压电双向步进式大位移作动器及其作动方法，作动器由外壳，外部导磁体，内部导磁体，永磁铁，线圈，弹簧，压电放大机构组成；实现双向步进式作动过程如下：永磁铁两端的内、外部导磁体间产生均匀环形磁场，线圈位于磁场中，外端与第一压电放大机构连接，内部与内部导磁体通过弹簧连接；外部导磁体与第二压电放大机构连接；压电放大机构未通电时与外壳内壁锁止；对第一压电堆通电，解除锁止；再对线圈施加电流，产生安培力推动第一压电放大机构移动；对第一压电堆断电锁止，对第二压电堆通电解除锁止，弹簧恢复力拉动线圈和第二压电放大机构移动，实现单向移动；若对线圈施加相反方向的电流，则反向移动；以此实现双向步进式输出大位移和力。

【技术实现步骤摘要】
一种磁-压电双向步进式大位移作动器及其作动方法
本专利技术涉及作动器
，具体涉及一种磁-压电双向步进式大位移作动器及其作动方法。
技术介绍
由电磁场理论可知，通电导线在磁场中会受到安培力的作用，磁作动器应用这一现象将电能直接转化为机械能输出位移和力。磁作动器具有行程大，响应快，力均匀和加速度高等优良性能，应用于结构减震，设备定位等领域。而基于逆压电效应制作的压电作动器具有分辨率高、输出力大、响应快、功耗小、结构轻等优点。因此，压电材料的各类作动器已被广泛地应用于机械、船舶、航空航天等领域，成为目前应用最广泛的智能驱动器件之一。但是，由于磁作动器输出位移大，位置控制结构复杂；压电材料输出位移为微位移。若要求大位移双向输出力，同时具有位置控制，体积小，质量轻等功能时，传统磁或压电作动器等难以满足上述所有条件。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种磁-压电双向步进式大位移作动器及其作动方法，具有输出位移大、掉电锁止，结构轻巧等特点，实现双向步进式作动功能。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种磁-压电双向步进式大位移作动器，包括永磁铁5，分别位于永磁铁5两端的外部导磁体2和内部导磁体4，内部导磁体4位于外部导磁体2内，外部导磁体2和内部导磁体4间产生均匀环形磁场；线圈3位于磁场中即位于外部导磁体2和内部导磁体4的间隙中，其外端与第一压电放大机构6连接，内部与内部导磁体4通过弹簧7连接；外部导磁体2另一端与第二压电放大机构8连接；所述外部导磁体2、第一压电放大机构6和第二压电放大机构8的外周圈被外壳1包覆，外部导磁体2置于外壳1内壁纵向凹槽中；所述第一压电放大机构6和第二压电放大机构8均由压电堆9和设置在压电堆9外部的三级立体式位移放大机构10组成，所述三级立体式位移放大机构10包括第一菱形环11，布置在第一菱形环11外并与第一菱形环11垂直的第二菱形环12，所述第二菱形环12的长轴与第一菱形环11的短轴同轴，布置在第二菱形环12外并与第二菱形环12垂直的第三菱形环13，所述第三菱形环13的长轴与第二菱形环12的短轴同轴；所述压电堆9放置于第一菱形环11长轴间；未通电时，所述第三菱形环13短轴两端微型齿槽与外壳1内壁齿槽啮合锁止。所述三级立体式位移放大机构10每级位移放大n倍，三级放大n3倍。所述线圈3的骨架采用环氧树脂材料。所述作动器整体呈圆柱状。所述磁-压电双向步进式大位移作动器的作动方法，未通电时，第一压电放大机构6和第二压电放大机构8与外壳1内壁锁止；开始作动时，首先对第一压电放大机构6中的压电堆9通电，压电堆9接收驱动电压后伸长，第一压电放大机构6与外壳1内壁解除锁止；再对线圈3施加电流，产生安培力推动第一压电放大机构6移动；然后，对第一压电放大机构6中的压电堆9断电，则锁止，再对第二压电放大机构8中的压电堆9通电，则解除锁止，弹簧7恢复力作用下，第二压电放大机构8同向移动，实现单向移动；最后，对第二压电放大机构8中的压电堆9断电，则锁止，步进位移保持；若解除锁止的顺序相反，并对线圈3施加相反方向的电流，则反向移动；持续通、断电，以此实现双向步进式输出大位移和力。本专利技术和现有技术相比，具有如下优点：1)相比于压电型作动器，磁-压电双向步进式大位移作动器可以输出双向大位移。2)相比于传统音圈作动器，磁-压电双向步进式大位移作动器在输出双向大位移范围内，通过压电材料实现任意位置锁止。3)作动器的压电堆9未通电时，第一压电放大机构6和第二压电放大机构8锁止于外壳，即有掉电锁止的特点。4)由于压电材料输出位移很小，且输出分辨率高，通过三级立体式位移放大机构10能够实现立方倍的放大输出。5)作动器的线圈3采用环氧树脂材料加工而成，既可以有效减轻结构的重量，又能消除电涡流影响。总之，本专利技术能够避免传统步进式作动器位移小、无锁止或带电锁止，，位置控制复杂等缺点，具有输出双向位移大、掉电锁止，结构轻巧等优点。附图说明图1为本专利技术作动器的结构剖视图。图2为本专利技术压电放大机构立体结构图。图3为本专利技术作动器的立体结构图。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细描述。如图1、图2和图3所示，本实施例一种磁-压电双向步进式大位移作动器，包括圆柱形的外壳1，外壳1内壁纵向凹槽放置外部导磁体2；永磁铁5两端的外部导磁体2和内部导磁体4间产生均匀环形磁场；线圈3位于磁场中，外端与第一压电放大机构6连接，内部与内部导磁体4通过弹簧7连接；外部导磁体2另一端与第二压电放大机构8连接；所述第一压电放大机构6和第二压电放大机构8均由压电堆9和设置在压电堆9外部的三级立体式位移放大机构10组成，所述三级立体式位移放大机构10包括第一菱形环11，布置在第一菱形环11外并与第一菱形环11垂直的第二菱形环12，所述第二菱形环12的长轴与第一菱形环11的短轴同轴，布置在第二菱形环12外并与第二菱形环12垂直的第三菱形环13，所述第三菱形环13的长轴与第二菱形环12的短轴同轴；所述压电堆9放置于第一菱形环11长轴间；所述第一压电放大机构6和第二压电放大机构8的两对称轴分别与外壳1横截面的纵向和横向对称轴重合，未通电时，所述第三菱形环13短轴两端微型齿槽与外壳1内壁横向齿槽啮合锁止。作为本专利技术的优选实施方式，在有尺寸要求和重量限制时，压电堆9选择变形量大的压电材料；三级立体式位移放大机构10、外壳1都采用刚度大的轻质材料。并通过力学和电磁学分析优化结构，减小尺寸。作为本专利技术的优选实施方式，线圈3骨架采用环氧树脂材料，既能有效减轻结构的重量，又能消除电涡流影响。本专利技术磁-压电双向步进式大位移作动器的双向步进式作动方法，未通电时，第一压电放大机构6和第二压电放大机构8与外壳1内壁锁止；开始作动时，首先对第一压电放大机构6中的压电堆9通电，压电堆9接收驱动电压后伸长，第一压电放大机构6与外壳1内壁解除锁止；再对线圈3施加电流，产生安培力推动线圈3和第一压电放大机构6移动，弹簧7拉伸；然后，对第一压电放大机构6中的压电堆9断电，则锁止，再对第二压电放大机构8中的压电堆9通电，则解除锁止，弹簧7恢复原长，拉动内部导磁体4，永磁铁5，外部导磁体2和第二压电放大机构8同向移动，实现单向步进式移动；最后，对第二压电放大机构8中的压电堆9断电，则锁止，步进位移保持，输出的大位移为线圈3在安培力作用下的移动距离；若解除锁止的顺序相反，并对线圈3施加相反方向的电流，则弹簧7压缩，推动内部导磁体4反向步进式移动；对压电堆9持续有序地通、断电，对线圈3施加不同方向的电流，以此实现双向步进式输出大位移和力。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁‑压电双向步进式大位移作动器，其特征在于：包括永磁铁(5)，分别位于永磁铁(5)两端的外部导磁体(2)和内部导磁体(4)，内部导磁体(4)位于外部导磁体(2)内，外部导磁体(2)和内部导磁体(4)间产生均匀环形磁场；线圈(3)位于磁场中即位于外部导磁体(2)和内部导磁体(4)的间隙中，其外端与第一压电放大机构(6)连接，内部与内部导磁体(4)通过弹簧(7)连接；外部导磁体(2)另一端与第二压电放大机构(8)连接；所述外部导磁体(2)、第一压电放大机构(6)和第二压电放大机构(8)的外周圈被外壳(1)包覆，外部导磁体(2)置于外壳(1)内壁纵向凹槽中；所述第一压电放大机构(6)和第二压电放大机构(8)均由压电堆(9)和设置在压电堆(9)外部的三级立体式位移放大机构(10)组成，所述三级立体式位移放大机构(10)包括第一菱形环(11)，布置在第一菱形环(11)外并与第一菱形环(11)垂直的第二菱形环(12)，所述第二菱形环(12)的长轴与第一菱形环(11)的短轴同轴，布置在第二菱形环(12)外并与第二菱形环(12)垂直的第三菱形环(13)，所述第三菱形环(13)的长轴与第二菱形环(12)的短轴同轴；所述压电堆(9)放置于第一菱形环(11)长轴间；未通电时，所述第三菱形环(13)短轴两端微型齿槽与外壳(1)内壁齿槽啮合锁止。...

【技术特征摘要】
1.一种磁-压电双向步进式大位移作动器，其特征在于：包括永磁铁(5)，分别位于永磁铁(5)两端的外部导磁体(2)和内部导磁体(4)，内部导磁体(4)位于外部导磁体(2)内，外部导磁体(2)和内部导磁体(4)间产生均匀环形磁场；线圈(3)位于磁场中即位于外部导磁体(2)和内部导磁体(4)的间隙中，其外端与第一压电放大机构(6)连接，内部与内部导磁体(4)通过弹簧(7)连接；外部导磁体(2)另一端与第二压电放大机构(8)连接；所述外部导磁体(2)、第一压电放大机构(6)和第二压电放大机构(8)的外周圈被外壳(1)包覆，外部导磁体(2)置于外壳(1)内壁纵向凹槽中；所述第一压电放大机构(6)和第二压电放大机构(8)均由压电堆(9)和设置在压电堆(9)外部的三级立体式位移放大机构(10)组成，所述三级立体式位移放大机构(10)包括第一菱形环(11)，布置在第一菱形环(11)外并与第一菱形环(11)垂直的第二菱形环(12)，所述第二菱形环(12)的长轴与第一菱形环(11)的短轴同轴，布置在第二菱形环(12)外并与第二菱形环(12)垂直的第三菱形环(13)，所述第三菱形环(13)的长轴与第二菱形环(12)的短轴同轴；所述压电堆(9)放置于第一菱形环(11)长轴间；未通电时，所述第三菱形环(13)短轴两...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国亮，徐明龙，陈杰，宋思扬，陈楠，周媛，邵妍，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61