一种行程和精度均可控的往复电机，依据电磁驱动原理设计。主要应用于机器人的直线关节电机，比如膝关节。将一个条形磁体放置于两对U型线圈的中间，每对U型线圈由上下两个U型线圈组成。当依次对U型线圈的电流方向进行组合切换时，U型线圈的磁极改变推动永磁体直线右移。依据此原理：条形永磁体制成圆形薄片并用等厚度的非导磁材料间隔；U型线圈制成环状薄片并用等厚度的环状非导磁材料间隔；将多个永磁薄片间隔叠加后制成活塞，将多个环状U型线圈间隔叠加制成缸体；将活塞置于缸体中时，改变相邻U型线圈的电流方向从而改变线圈磁极，交替驱动活塞在刚体中做可控往复移动。驱动活塞在刚体中做可控往复移动。驱动活塞在刚体中做可控往复移动。
【技术实现步骤摘要】
一种应用于机器人直线关节的关节电机
[0001]本专利技术属于机器人动力应用领域，具体实现机器人直线运动关节的动力功能。
技术介绍
[0002]目前市面上的活塞电机多为两个电磁铁的往复式电机，移动距离和精度不可调。而精度可调的音圈电机价格超贵并且输出动力及其有限，都无法实现六足机器人的腿部行走功能。而使用旋转电机总会有超多的机械传动结构，增加了行走机器人的腿部结构复杂度，并且旋转电机在转换为直线运动的过程中，移动还不是线性的，不便于控制。
技术实现思路
[0003]针对以上局限性，本专利技术提出了一种精度和行程均可控的往复式活塞电机，其原理是依据永磁体的转子和铁芯线圈的定子构成的电机原理。
[0004]一对铁芯线圈和一个永磁体的结构如图1所示，条形永磁体是左N右S，铁芯线圈的绕线是顺向串联的，也就是通电后它们产生的磁极方向是一致的，如都是左N右S或都是左S右N。
[0005]当给线圈接通图2所示负向电流后，根据线圈电流和磁极的关系可知，铁芯线圈产生的磁极是左S右N。由图2可知此时的永磁体是被上下铁芯线圈吸引的，上下的线圈分别与永磁体形成了各自的磁回路，永磁体不会左右移动，顶多因为上下的受力不均匀被吸引到上面的铁芯线圈，或者被吸引到下面的铁芯线圈。
[0006]当给图1所示的铁芯线圈接上正向电流后，铁芯线圈的磁极变成了左N右S，则因为同性磁极排斥的原因永磁体会产生移动，并且有三种可能的移动方式。
[0007]一是永磁体被推离原来的位置向右运动，如图3(a)所示，因为右边的铁芯磁极与永磁体左边的磁极不同会产生吸引，永磁体会被吸引在铁芯右侧的中间，或者因为上下受力不均匀被吸向右上或右下。
[0008]二是永磁体被推离原来的位置向左运动，如图3(b)所示，因为左边的铁芯磁极与永磁体右边的磁极不同会产生吸引，永磁体会被吸引在铁芯左侧的中间，或者因为上下受力不均匀被吸向左上或左下。
[0009]三是永磁体在移动的过程中被铁芯线圈左右旋转了180度，然后吸引在了上或下边的铁芯上，这种不属于本专利技术的需要应用的情况，未画出图示。
[0010]从第一二种情况可以知道，当图1所示的铁芯线圈和永磁体所组成的结构在条件满足时，永磁体是会产生左移或右移的，对于上下铁芯不均匀吸引的现象不属于本专利技术应用，以下将不予提及。
[0011]从前述分析可知，永磁体直线移动的条件是：一对铁芯线圈的中间放置一个条形永磁体；永磁体的磁极分为左右两端，线圈极化磁极在左右两端；需要改变电流方向。
[0012]根据上述分析结果设计了图4所示的双线圈组结构，能够使条形永磁体作直线运动。A、B铁芯线圈组的特性相同，包括电器特性和尺寸特性；铁芯线圈组(以下简称线圈组)
内的上下两个铁芯线圈的尺寸特性和电器特性也是相同的；永磁体是条形且薄的长方体形永磁体，且磁极是左N右S；A、B线圈组之间的间距等于线圈铁芯的外侧长度L；永磁体的长度等于线圈长度的两倍即2L；A、B线圈组内的铁芯宽度、永磁体的宽度完全相等均为W。
[0013]运动过程如下。
[0014]Idc1为负电流，Idc2为负电流时，A、B线圈组的磁极如图4所示都是左S右N，A线圈组产生的磁极与永磁体磁极相反，于是永磁体被吸引在了A线圈组的中间，即图4中的位置，该位置定义为永磁体向右移动的起点。
[0015]Idc1为负电流，Idc2为正电流时，如图5所示。仅B线圈组的磁极翻转为左N右S，永磁体的右端S极同时被A、B线圈组的N极吸引，而永磁体的左端N仅有A线圈组的S极吸引。所以永磁体会被B线圈组的N极拉动到自身磁极附近，即图5中的永磁体的位置，永磁体的S极处于A、B线圈组的N极的中间，永磁体向右移动了A、B线圈组间距L的一半。
[0016]Idc1为正电流，Idc2为正电流时，如图6所示。仅A线圈组的磁极翻转为左N右S。由于永磁体右端S被B线圈组的N极吸引着的，则A线圈翻转后左端的N极会推着永磁体右移，使得永磁体左端的N极被A线圈组的右端的S极吸引，而永磁体的S极被B线圈组左端的N极吸引。则永磁体正好被吸引到A、B线圈组的中间位置，永磁体继续被右移了A、B线圈组间距L的一半。
[0017]Idc1为正电流，Idc2为负电流时，如图7所示。仅B线圈组的磁极翻转为左S右N。永磁体左端的N极同时被A、B线圈组的S极吸引，而永磁体的右端的S极则被B线圈的右端的N极吸引。永磁体左端的N极被A、B线圈组的S极吸引在了A、B线圈组的中间。永磁体被继续右移了A、B线圈组间距L的一半。
[0018]Idc1为负电流，Idc2为负电流时，如图8所示，仅线圈A的磁极翻转为左S右N，此时可以发现电流方向变化为最初的图4中的位置，即Idc1、Idc2均为负电流。由于A线圈组的右端的磁极为N与永磁体的左端磁极N产生排斥，而B线圈组的磁极正好与正对着的永磁体磁极相反，所以永磁体被B线圈组吸引到了自身铁芯的正中间。永磁体的磁极中线是在B线圈组的边沿位置，被B线圈组吸引到中心位置的，也就是永磁体继续被右移了铁芯长度L的一半。
[0019]事实上，图5到图8所示的电流翻转移动永磁体的过程，就是使永磁体从A线圈组向右平移到B线圈组的过程，类似于步进电机的移动。从上述移动过程知道，永磁体在一定的条件下是可以被线圈磁极以步进的方式做直线运动的。
[0020]以下将分析用此原理构成的活塞电机，及其工作原理。
[0021]活塞电机的每组线圈中有4对磁极，以电机径向叠加于同一圆轴上，而每对磁极的N极到S极的连线都平行于电机的轴心线。
[0022]线圈组中的单个磁极结构如图9所示，其中图9(a)是铁芯线圈的侧视图，图9(b)是将铁芯展平后的侧视图，图9(c)是铁芯展平后的顶视图。
[0023]图9(a)是一个U型铁芯线圈，磁极被线圈约束在了U型铁芯的两端，U型铁芯的宽度是D。当沿着图9(a)所示的折角位置将U型铁芯展开后，得到图9(b)所示的条形铁芯线圈，可以看到线圈在U型铁芯的两端是连续绕线且方向一致的。当从图9(b)的顶视图中看下去，展平后的图9(a)就是图9(c)所示的形状。
[0024]结合图9(b)和图9(c)可知，图9(a)所示的磁极是弧形磁极且具有图9(b)所示的磁
极高度H，线圈的绕向是连续的且顺向串联在一起的。当线圈通电后磁极在两个弧形磁极上形成了一对磁极且对外呈现磁性。
[0025]活塞电机的一组完整的线圈如图10所示，在正方形载片的圆周上呈90度排列了4对磁极，且每对磁极都具有图9所示的结构，它们被完全固定在载片中。4对磁极的线圈都是顺向串联的，所以对外仅有一组引线A+端和A
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端。当给图10所示的铁芯线圈组通电后，它们的铁芯磁化极性是一致的。
[0026]线圈组固定后的载片效果如图11所示，4对U型铁芯线圈被分置于载片的圆周方向且均分为90度位置，而磁极则处于载片的上下的位置，也就是磁化后磁极要么是上S下N，要么是上N下S，载片的厚度就是图9(a)所示的D本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种直线关节电机的运动原理，其特征是包含一永磁体，其特征是条形永磁体且磁极(N/S)在其两端(左/右)，永磁体的长度(2L)等于线圈铁芯长度(L)的两倍，永磁体的宽度(W)等于线圈铁芯的宽度(W)，永磁体位置处于一对铁芯线圈组的中间(A线圈组)；包含两组线圈，其中第一线圈组(A线圈组)的铁芯线圈一(上)的铁芯磁极和铁芯线圈二(下)的铁芯磁极分别对正，且两个铁芯线圈的上下间距(H2)大于永磁体的厚度(H1)，第二线圈组(B线圈组)的铁芯线圈一(上)的铁芯磁极和铁芯线圈二(下)的铁芯磁极分别对正，且两个铁芯线圈的上下间距(H2)大于永磁体的厚度(H1)，第一线圈组(A线圈组)与第二线圈组(B线圈组)之间的间距等于线圈铁芯长度(L)；两组线圈的接线方式是第一驱动(Udr1)的正端(Udr1+)接第一线圈组(A线圈组)的铁芯线圈一(上)的首端，第一线圈组(A线圈组)的铁芯线圈一(上)的尾端接第一线圈组(A线圈组)的铁芯线圈二(下)的首端，第一线圈组(A线圈组)的铁芯线圈二(下)的尾端接第一驱动(Udr1)的负端(Udr1
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)，第二驱动(Udr2)的正端(Udr2+)接第二线圈组(B线圈组)的铁芯线圈一(上)的首端，第二线圈组(B线圈组)的铁芯线圈二(上)的尾端接第二线圈组(B线圈组)的铁芯线圈二(下)的首端，第二线圈组(B线圈组)的铁芯线圈二(下)的尾端接第二驱动(Udr2)的负端(Udr2
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)；两组线圈的驱动方法是步骤一是第一驱动为负向电流驱动且第二驱动为正向电流驱动时，永磁体被第二线圈组(B线圈组)吸引并使永磁体移动了半个铁芯长度(0.5L)的距离，步骤二是第一驱动为正向电流驱动且第二驱动为正向电流驱动时，永磁体被第一线圈组(A线圈组)和第二线圈组(B线圈组)共同作用并使永磁体移动了半个铁芯长度(0.5L)的距离，永磁体共移动了一个铁芯长度(1L)的距离，步骤三是第一驱动为正向电流驱动且第二驱动为负向电流驱动时，永磁体被第一线圈组(A线圈组)和第二线圈组(B线圈组)共同作用并使永磁体移动了半个铁芯长度(0.5L)的距离，永磁体共移动了1.5倍个铁芯长度(1.5L)的距离，步骤四是第一驱动为负向电流驱动且第二驱动为负向电流驱动时，永磁体被第二线圈组(B线圈组)吸引并并使永磁体移动了半个铁芯长度(0.5L)的距离，永磁体共移动了2个铁芯长度(2L)的距离。2.一种直线关节电机的最小定子单元结构，其特征是由四个薄片叠加而成，其中第一薄片(载片A)和第三线圈薄片(载片B)具有相同的结构，为活塞电机提供驱动力，它们的结构是薄片的内圆有四个凹槽(导向槽)且呈现薄片内圆的四分之一(90度)布局，四个U型铁芯线圈的磁极均分别放置于薄片的两侧，两侧面之间的厚度等于薄片的厚度(D)，且磁极是薄片内圆的四分之一弧度形状，当四个U型铁芯线圈的磁极和四个凹槽(导向槽)组装后，可
以组成一个薄片的完整内圆；第二薄片(隔离A)和第三线圈薄片(隔离B)的具有相同的结构，为第一薄片(载片A)和第三线圈薄片(载片B)提供间隔，它们的厚度等于U型铁芯的磁极的外侧厚度，都是由非导磁材料组成但具有与第一薄片(载片A)相同的外观结构；四个薄片从上到下的叠层顺序...
【专利技术属性】
技术研发人员：马东林，
申请(专利权)人：马东林，
类型：发明
国别省市：
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