CN105099062A - 自驱动转动轴 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自驱动转动轴，包括驱动体电磁线圈2、转盘3、永磁体4等部件；驱动体电磁线圈2的轴向平行于转盘3的法向；驱动体电磁线圈2安装固定于转动轴定子与转动轴动子两者中的一者，转盘3安装固定于转动轴定子与转动轴动子两者中的另一者；转盘3的部分区域由永磁体4构成；驱动体电磁线圈2与永磁体4相互作用形成磁路结构。本发明利用电磁线圈与永磁体直接相互作用进行转动驱动，效率更高，结构更加紧凑，不需要电动机、减速器等，通过改变电磁线圈和/或永磁体的个数和位置，本发明装置可以实现不同驱动转矩、驱动转角需求的应用场合。

Description

自驱动转动轴

技术领域

本发明涉及驱动器技术、智能驱动控制技术、电磁永磁直接驱动以及转动位置精密控制技术领域，具体地，涉及自驱动转动轴。

背景技术

精密可控转动驱动装置主要应用于机构空间位置的调整以及目标物体的跟踪，柔性结构的振动主动控制。通过控制子部件的转动，来实现机构空间位置的调整，进而实现对目标物体的跟踪以及柔性结构振动的主动控制。现有的转动驱动装置，主要是旋转电机，这种机构自身结构较为复杂，且常需要与其他传动部件组合来进行运动的控制，效率较低，响应速度较慢。特别的，在体积受限的情况下，往往无法提供较大的驱动扭矩，无法满足现代工业对于微型精密驱动控制及定位的需求。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自驱动转动轴。

根据本发明提供的一种自驱动转动轴，包括：转动轴定子、转动轴动子、驱动体电磁线圈、转盘、永磁体；

驱动体电磁线圈的轴向平行于转盘的法向；

驱动体电磁线圈安装固定于转动轴定子与转动轴动子两者中的一者，转盘安装固定于转动轴定子与转动轴动子两者中的另一者；

转盘的部分区域由永磁体构成；

驱动体电磁线圈与永磁体相互作用形成磁路结构。

优选地，多个驱动体电磁线圈在同一周向或多个周向上均匀或非均匀分布；转盘上的多个永磁体沿周向均匀或非均匀布置，驱动体电磁线圈的数量为永磁体数量的N倍，其中，N为正整数。

优选地，包括若干个驱动体电磁线圈；所述若干个驱动体电磁线圈用于驱使转盘相对转动至对应于所述磁路结构中磁通量最大值的角度。

优选地，套筒绕中心轴相对转动，并且：

-转动轴定子、转动轴动子分别为中心轴、套筒；或者

-转动轴定子、转动轴动子分别为套筒、中心轴。

优选地，还包括如下任一种或任多种装置：

-扭簧，所述扭簧的两端分别固定于转动轴定子、转动轴动子上，以在转动轴动子与转动轴定子之间提供阻尼；

-密封在套筒与中心轴之间空腔内的磁流变液体、导磁性粉末颗粒或者软磁颗粒，以在转动轴动子与转动轴定子之间提供可控和变化的阻尼特性；

-密封在套筒与中心轴之间空腔内的囊状阻尼体，所述囊状阻尼体为一空间囊状体结构，内部填充磁性介质，以在转动轴动子与转动轴定子之间提供可控和变化的阻尼特性；

优选地，还包括如下装置：

-阻尼控制驱动体，所述阻尼控制驱动体为电磁发生装置，安装在套筒和中心轴之间的腔体中，用于施加能量使磁流变液体、导磁性粉末颗粒、软磁颗粒或者囊状阻尼体内磁性介质汇聚在能量施加方向以产生阻碍转动轴动子与转动轴定子相对转动的剪切力。

优选地，还包括如下装置：

角度检测传感器：用于检测转动轴定子与转动轴动子之间的相对转动角度；

电磁线圈控制器：用于根据角度检测传感器检测得到的所述转动角度对驱动体电磁线圈的电流大小和/或电流方向进行控制，以增加或减弱驱动体电磁线圈与永磁体之间的磁力相互作用。

优选地，所述角度检测传感器为磁电式科里奥利力检测传感器；次优选地，所述角度检测传感器还可以是其它可以进行角度检测的传感器或MEMS类型角度传感器。

根据本发明提供的一种自驱动转动系统，所述自驱动转动系统采用上述的自驱动转动轴及其组合。

优选地，所述自驱动转动系统为自适应转动驱动系统。

优选地，所述自驱动转动系统为如下任一种系统：

-等速转动仪系统；

-等扭矩转动系统；

-板壳体开合驱动系统；

-流体中的驱动系统；

-机器人关节系统；

-多维转动驱动系统。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用电磁线圈与永磁体直接相互作用进行转动驱动，效率更高，结构更加紧凑，不需要电动机等驱动部分；

2、通过改变转盘中扇形永磁体的个数和位置，本发明装置可以实现不同角度控制范围的应用场合；

3、驱动体采用对称布置方式，有效的增大了驱动力；

4、本发明中的电磁线圈布置形式更加灵活，简单；

5、各组电磁线圈之间可以串接或者并接，通过改变通电方式，既可以相互同向耦合产生增强励磁磁场力，也可以相互异向耦合产生削弱励磁磁场力；

6、本发明装置可以根据需要进行一维轴向，二维平面，三维空间的功能扩展；

7、本发明具有主动阻尼特性，通过对电磁流变液或者导磁性粉末颗粒的控制，能产生可控变化的阻尼；

8、本发明结构简单、质量轻，满足现代工业对精密控制驱动装置的需求。

9、本发明可以用于实现特别是180度范围内的多维转动，可应用作为等速转动仪器、等扭矩转动装置、板壳体开合驱动装置、流体中的驱动装置以及机器人关节系统的基础部件。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的驱动原理结构简图；

图2、图3分别为驱动体电磁线圈与永磁体对齐与错位时的结构示意图；

图4、图5、图6、图7为本发明中不同数量的永磁体和不同数量的驱动体电磁线圈的阵列扩展形式示意图；

图8为本发明中采用扭簧产生阻尼的结构示意图；

图9、图10、图11为本发明中三种基础结构形式。其中，图9为套筒固定，中心轴转动，图10为中心轴固定，套筒转动，图11为内套筒固定，外套筒和中心轴同时转动；

图12、图13为本发明产生主动阻尼的原理演示图。其中，图12为阻尼控制驱动体未励磁的情况，图13为阻尼控制驱动体励磁工作的情况。

图中：

1为中心轴

2为驱动体电磁线圈

3为转盘

4为永磁体

5为扭簧

6为套筒

7为线圈支撑框架

8为支撑轴承

9为内套筒

10为磁性介质

11为阻尼控制驱动体

12为填充磁性介质的囊状体

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，根据本发明提供的自驱动转动轴，包括：转动轴定子、转动轴动子、驱动体电磁线圈2、转盘3、永磁体4；

所述自驱动转动轴可以包括若干个(即一个或多个)驱动体电磁线圈2。所述若干个驱动体电磁线圈2和转盘3相对同一转轴线L设置。转盘3的转轴可以与该转轴线L重叠，也可以不与该转轴线L重叠。当驱动体电磁线圈2的数量为一个时，该驱动体电磁线圈2的转轴不与该转轴线L重叠。当驱动体电磁线圈2的数量为多个时，这些驱动体电磁线圈2构成电磁线圈组体；若电磁线圈组体中的各个驱动体电磁线圈2在周向上均布，则该电磁线圈组体的转轴优选地与转轴线L重叠，当然在非优选情况下也可以不重叠；若电磁线圈组体中的各个驱动体电磁线圈2集中布置在周向某一段内，则该电磁线圈组体的转轴优选地与转轴线L不重叠。

所述驱动体电磁线圈采用空心电磁线圈、电磁铁、带磁轭的线圈或者电磁线圈和工业纯铁、软磁材料组合。

驱动体电磁线圈2的轴向平行于转盘3的法向。驱动体电磁线圈2安装固定于转动轴定子与转动轴动子两者中的一者，转盘3安装固定于转动轴定子与转动轴动子两者中的另一者，也就是说，可以是驱动体电磁线圈2安装固定于转动轴定子，转盘3安装固定于转动轴动子，也可以是驱动体电磁线圈2安装固定于转动轴动子，转盘3安装固定于转动轴定子；

如图2所示，转盘3的部分区域由永磁体4构成，驱动体电磁线圈2与永磁体4相互作用形成磁路结构。其中，所述转盘3可以是由缺失扇形区域的非完整盘状结构与扇形永磁体4刚性连接组合形成完整的盘状结构，所述转盘3、永磁体4与中心轴1刚性连接。所述转盘3可以为导磁材料，也可以为非导磁材料。上述永磁体4的形状采用扇形是优选情况，永磁体4的形状还可以是圆形、矩形、三角形、梯形等规则形状，还是可以不规则形状，均落入本发明的保护范围之内。

多个驱动体电磁线圈2在同一周向或多个周向上均匀分布，如图4-7所示，驱动体电磁线圈2的数量可以为一个或者多个；如图4-6所示，多个驱动电磁线圈2之间在同一周向上均匀分布；如图7所示，多个驱动电磁线圈2之间在两个周向上分别均匀分布。转盘3上的多个永磁体4同样沿周向均匀布置，驱动体电磁线圈2的数量为永磁体4数量的N倍，其中，N为正整数，如图4-7所示。而在变化例中，驱动体电磁线圈2可以在周向上非均匀分布，转盘3的永磁体4同样可以在周向上非均匀分布。

所述自驱动转动轴所包含的若干个驱动体电磁线圈2，用于驱使转盘3相对转动至对应于所述磁路结构中磁通量最大值的角度。具体地，驱动体电磁线圈2与转盘3相对转动所产生的驱动体电磁线圈2与永磁体4之间相对面积的变化，引起所述磁路结构中磁通量的变化。当所述磁路结构中磁通量达到最大值时，认为单个的驱动体电磁线圈2或者由多个驱动体电磁线圈2构成的电磁线圈组体与转盘3上的永磁体处于对齐的角度位置关系。当所述磁路结构中磁通量未达到最大值时，认为单个的驱动体电磁线圈2或者由多个驱动体电磁线圈2构成的电磁线圈组体与转盘3上的永磁体处于错位的角度位置关系。驱动体电磁线圈2的作用即包括将处于错位位置的转盘3驱动至对齐位置。

进一步地，根据本发明提供的自驱动转动轴还包括角度检测传感器和电磁线圈控制器。角度检测传感器用于检测转动轴定子与转动轴动子之间的相对转动角度；电磁线圈控制器用于根据角度检测传感器检测得到的所述转动角度对驱动体电磁线圈2的电流大小和/或电流方向进行控制，以增加或减弱驱动体电磁线圈2与永磁体4之间的磁力相互作用(或者增加/减少磁力相互作用时间)。优选地，所述角度检测传感器为磁电式科里奥利力检测传感器，本领域技术人员可以参见申请号“201410095933.3”的中国专利文献(公开号103913158A，名称“磁电式科里奥利力检测传感器”)以及申请号“201420117614.3”的中国专利文献(公开号203798360U，名称“磁电式科里奥利力检测传感器”)得以实现，在此不再赘述。

在第一优选例中，如图9所式，转动轴动子为中心轴1，转动轴定子为套筒6。驱动体电磁线圈安装固定于套筒6的内壁，转盘3安装固定于中心轴1。

在第二优选例中，如图10所示，转动轴定子为中心轴1，转动轴动子为套筒6。驱动体电磁线圈安装固定于中心轴1上的线圈支撑框架，转盘3安装固定于套筒6的内壁，并通过支撑轴承8套于中心轴1上。

在第三优选例中，如图11所示，转动轴动子为中心轴1与套筒6，转动轴定子为位于中心轴1与套筒6之间的内套筒9。转盘3安装固定在中心轴1与套筒6之间，驱动体电磁线圈2安装于内套筒9内壁。

在第四优选例中，如图12所示，转动轴定子为中心轴1，转动轴动子为套筒6。驱动体电磁线圈安装固定于中心轴1上的线圈支撑框架，转盘3安装固定于套筒6的内壁，并通过支撑轴承8套于中心轴1上。转盘3上设置有阻尼控制驱动体11，在中心轴1与套筒6之间的空间内设置有磁性介质10和囊状阻尼体12。其中，密封在套筒6与中心轴1之间空腔内的磁性介质10可以是磁流变液体、导磁性粉末颗粒或者软磁颗粒，以在转动轴动子与转动轴定子之间提供可控和变化的阻尼特性；密封在套筒6与中心轴1之间空腔内的囊状阻尼体12，所述囊状阻尼体为一空间囊状体结构，内部填充磁性介质10，以在转动轴动子与转动轴定子之间提供可控和变化的阻尼特性；阻尼控制驱动体11，所述阻尼控制驱动体11安装在套筒6和中心轴1之间的腔体中，用于控制磁流变液体、导磁性粉末颗粒、软磁颗粒或者囊状阻尼体内磁性介质10的分散情况。进一步地，如图12所示，根据本发明提供的自驱动转动轴还包括扭簧5，所述扭簧5可以穿套在中心轴1上，也可以设置于其它位置。扭簧5的两端分别固定于转动轴动子、转动轴定子上，以在转动轴动子与转动轴定子之间提供阻尼，即，扭簧5用于提供运动阻尼，增加转动轴运动的稳定性与可控性，并且，在驱动体电磁线圈失电后，扭簧5可以起到复位的作用使转盘3回复原位。

本发明的原理如下。

本发明提供的自驱动转动轴，通过驱动体电磁线圈产生的励磁场对转盘以及与转盘刚性连接的定子或动子的相对转动进行控制，具体为，驱动体电磁线圈在通电后产生轴向上的磁力，当通电的驱动体电磁线圈与永磁体错位时，该磁力对永磁体的吸引力或者排斥力将生成剪切力，从而使得永磁体向磁通量最大的对齐角度位置转动，从而驱动了转盘的转动，进而使转动轴动子与转动轴定子之间生产转动角度。

进一步地，通过阻尼控制驱动体可以施加能量使磁流变液体、导磁性粉末颗粒、软磁颗粒或者囊状阻尼体内磁性介质10汇聚在能量施加方向以产生阻碍转动轴动子与转动轴定子相对转动的剪切力，从而控制转动轴定子与转动轴动子之间的阻尼特性，使得剪切力受阻减弱或者变大加强，以驱使或阻碍转动轴定子与转动轴动子之间的转动。其中，阻尼控制驱动体是可以产生需求强度的电磁发生装置，阻尼控制驱动体对磁流变液体、导磁性粉末颗粒、软磁颗粒等磁性介质施加电磁能量。当电磁发生装置未激励时，如图12所示，磁性介质均匀分布在中心轴与套筒的间隙内，此时磁性介质并未阻碍或明显阻碍中心轴与套筒之间的转动；当电磁发生装置激励时，如图13所示，均匀磁性介质被汇聚于中心轴与套筒之间的间隙的某一狭小空间内，此时磁性介质的密度变大，相应的剪切应力也变大，从而对中心轴与套筒之间的转动造成明显的阻碍，甚至可以锁死中心轴与套筒停止转动。

更为具体地，当驱动体电磁线圈较少(或线圈电流较小)时，适用于负载较小的转动驱动控制；当驱动体电磁线圈较多(或线圈电流较大)时，适用于负载较大的转动驱动控制。当永磁体为一个时，可实现小角度范围的转动控制，当永磁体为多个时，可实现较大角度范围的转动控制。通过对多个组合驱动体电磁线圈的通断电控制，可以实现对转子转动稳定性进行精密控制。另外，通过对阻尼控制驱动体的控制，可以实现装置的主动阻尼控制，进一步增加了对转动驱动控制的稳定性和有效性。

进一步地，角度检测传感器用于检测转动轴定子与转动轴动子之间的相对转动角度；电磁线圈控制器用于根据角度检测传感器检测得到的所述转动角度对驱动体电磁线圈2的电流大小和/或电流方向进行控制，以增加或减弱驱动体电磁线圈2与永磁体4之间的磁力相互作用。例如，假设转动轴需要转动一指定角度，当角度检测传感器检测到当前转动轴的转动角度与期望的转动角度之间还存在着差异，即当前转动角度尚未达到指定角度，则控制电磁线圈控制器向驱动体电磁线圈继续供电，直到转动轴的转动角度达到指定角度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本发明实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (11)

1.一种自驱动转动轴，其特征在于，包括：转动轴定子、转动轴动子、驱动体电磁线圈(2)、转盘(3)、永磁体(4)；

驱动体电磁线圈(2)的轴向平行于转盘(3)的法向；

驱动体电磁线圈(2)安装固定于转动轴定子与转动轴动子两者中的一者，转盘(3)安装固定于转动轴定子与转动轴动子两者中的另一者；

转盘(3)的部分区域由永磁体(4)构成；

驱动体电磁线圈(2)与永磁体(4)相互作用形成磁路结构。

2.根据权利要求1所述的自驱动转动轴，其特征在于，多个驱动体电磁线圈(2)在同一周向或多个周向上均匀或非均匀分布；转盘(3)上的多个永磁体(4)沿周向均匀或非均匀布置，驱动体电磁线圈(2)的数量为永磁体(4)数量的N倍，其中，N为正整数。

3.根据权利要求1所述的自驱动转动轴，其特征在于，包括若干个驱动体电磁线圈(2)；所述若干个驱动体电磁线圈(2)用于驱使转盘(3)相对转动至对应于所述磁路结构中磁通量最大值的角度。

4.根据权利要求1所述的自驱动转动轴，其特征在于，套筒(6)绕中心轴(1)相对转动，并且：

-转动轴定子、转动轴动子分别为中心轴(1)、套筒(6)；或者

-转动轴定子、转动轴动子分别为套筒(6)、中心轴(1)。

5.根据权利要求4所述的自驱动转动轴，其特征在于，还包括如下任一种或任多种装置：

-扭簧(5)，所述扭簧(5)的两端分别固定于转动轴定子、转动轴动子上，以在转动轴动子与转动轴定子之间提供阻尼；

-密封在套筒(6)与中心轴(1)之间空腔内的磁流变液体、导磁性粉末颗粒或者软磁颗粒，以在转动轴动子与转动轴定子之间提供可控和变化的阻尼特性；

-密封在套筒(6)与中心轴(1)之间空腔内的囊状阻尼体，所述囊状阻尼体为一空间囊状体结构，内部填充磁性介质(10)，以在转动轴动子与转动轴定子之间提供可控和变化的阻尼特性。

6.根据权利要求5所述的自驱动转动轴，其特征在于，还包括如下装置：

-阻尼控制驱动体(11)，所述阻尼控制驱动体(11)为电磁发生装置，安装在套筒(6)和中心轴(1)之间的腔体中，用于施加能量使磁流变液体、导磁性粉末颗粒、软磁颗粒或者囊状阻尼体内磁性介质(10)汇聚在能量施加方向以产生阻碍转动轴动子与转动轴定子相对转动的剪切力。

7.根据权利要求1所述的自驱动转动轴，其特征在于，还包括如下装置：

角度检测传感器：用于检测转动轴定子与转动轴动子之间的相对转动角度；

电磁线圈控制器：用于根据角度检测传感器检测得到的所述转动角度对驱动体电磁线圈(2)的电流大小和/或电流方向进行控制，以增加或减弱驱动体电磁线圈(2)与永磁体(4)之间的磁力相互作用。

8.根据权利要求7所述的自驱动转动轴，其特征在于，所述角度检测传感器为磁电式科里奥利力检测传感器。

9.一种自驱动转动系统，其特征在于，所述自驱动转动系统采用权利要求1至8中任一项所述的自驱动转动轴及其组合。

10.根据权利要求9所述的自驱动转动系统，其特征在于，所述自驱动转动系统为自适应转动驱动系统。

11.根据权利要求9所述的自驱动转动系统，其特征在于，所述自驱动转动系统为如下任一种系统：

-等速转动仪系统；

-等扭矩转动系统；

-板壳体开合驱动系统；

-流体中的驱动系统；

-机器人关节系统；

-多维转动驱动系统。