一种微型直线电机及其驱动方式 【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。传统的采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，采用不同的机理，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。
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1-4mm，磁钢凹槽深度为0-1mm，内部铁心长度为6-10mm，内部铁心直径为3-6mm，气隙厚度为0.4-1mm。
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。
【附图说明】
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1、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地力，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1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1mm，内部铁心长度为10mm，内部铁心直径为6mm，气隙厚度为1mm。
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，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1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2mm，磁钢厚度为1mm，内部铁心长度为6mm，内部铁心直径为3mm，气隙厚度为0.4mm。
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8mm，总体长度为14mm，动子的运动行程为3mm，磁钢厚度为2.5mm，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1、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12向终端加速运动，外壳13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。