[发明专利]直线旋转永磁作动器

说明书

技术领域

本发明涉及一种作动器，特别涉及一种单径向磁路直线旋转永磁作动器。

背景技术

直线旋转运动是一种常见的运动形式，比如最常见的螺丝旋转、电钻钻头。直线旋转电磁驱动机构是驱动直线旋转运动系统的一种重要方式，可参见美国专利号为US 3441819,专利名称为往复线性电机（ reciprocating linear motor），美国专利号为US 3453510, 专利名称为线性－旋转直接驱动式电机和控制系统Linear and rotary direct current stepping motors and control system）。这种直线旋转电磁驱动机构也是当前多自由度驱动机构研究中的一个重要方面。

实现直线旋转驱动的最简单的解决方案法是使用两个独立作动器，第一个为直线作动器，用于驱动直线运动，第二个为旋转作动器，用于驱动旋转运动。直线作动器和旋转作动器的组合有两种方式，共轴方式和不共轴方式。中国专利号为CN 200680043229,名称为 具有内置式直线-旋转直接驱动装置的塑料注射成型机,提供了一种共轴方式的直线旋转两自由度的注塑成型机，它由分立的直线作动器和旋转作动器简单组合而成，旋转作动器套在直线作动器之内。美国专利号为US 4806068, 名称为用于机器人的旋转直线作动器（Rotary linear actuator for use in robotic manipulators）提供了一种不共轴方式的用于机器人的直线旋转作动器，直线作动器推动连接部位实现直线运动，同时，连接部位在旋转电机的转动下实现旋转运动。这两种结构的共同缺点是直线驱动器与旋转驱动器相互独立，体积大、可靠性差，协调控制复杂，不易实现精确控制，同时永磁的利用不完全。此外，每个驱动器需要一个独立电源，增加了电源的数量。

为了避免使用两个作动器实现螺旋运动带来的缺点，也可以使用一种螺旋直驱的方式（Y. Fujimoto, T. Kominami, H. Hamada. Development and Analysis of a High Thrust Force Direct-Drive Linear Actuator[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(05): 1383–1392）利用直线电机原理实现的螺旋驱动机构的解决方案，但是这样的螺旋运动由于固定了螺距，转子只能在固定的方向上作螺旋运动，用途受到限制。

另一种解决方案是使用单个电磁机构来实现直线和旋转运动的直线旋转作动器，在旋转方向展开后类似于平面电机，而直线旋转作动器在单独做旋转运动时是一种旋转电机，可以连续的旋转运动而没有有限行程的限制。这种直线旋转作动器按照定转子结构现有两种主要拓扑方式，日本专利号为JP 2004040894,名称为电磁式作动器（ Electromagnetic actuator）和美国专利号为US 20100060086,名称为用于双方向定位的具有位置译码器的驱动机构（Driving mechanism having position encoder for two-dimensional positioning）所提供的单定子单运动部件直线旋转作动器和双定子单运动部件直线旋转作动器。双定子单运动部件直线旋转作动器有两种电源驱动方式，一种是内外定子分别提供直线和旋转的驱动。另一种是欧洲专利号为EP 1780878，名称为紧凑型直线旋转作动器（ Compact linear and rotary actuator）中提出的内外定子同时提供直线和旋转的驱动。第一种驱动方式与采用两个驱动器有类似之处，不同点在于：虽然直线和旋转电机共用运动部件使电机结构更趋紧凑，但是由于两个定子中不同方向的磁场交汇于运动部件，运动部件上的磁场极其复杂，很难进行分析和控制。第二种驱动方式虽然可以增加运动部件和定子表面的相互作用，提供更大的推力和扭矩，但是机构过于复杂，定子部分须为钟形，制造、安装的难度都很大，并且运动部件直线方向上的位移极其有限的。

在上述三种直线旋转运动的驱动方案中，第一种使用两个驱动器的方案需要两个电机，并且传动机构复杂，体积庞大；第二种螺旋驱动机构驱动方式不灵活，只能做固定的螺旋运动；第三种直线旋转电机方案虽然定子略为复杂，但是无论从拓扑结构的紧凑性还是运动的定位精度都具有明显的优势，是一种极具发展前景的多自由度驱动机构。