[发明专利]基于铰链四杆机构的超磁致伸缩步进电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种精密机械驱动领域的步进电机，具体的说是一种基于铰链四杆机构的超磁致伸缩步进电机。

背景技术

超磁致伸缩材料是一种尺寸可随外部磁场变化发生伸缩，且磁致伸缩系数远远大于传统磁致伸缩材料的特殊功能材料。超磁致伸缩材料具有机电转换效率高、能量密度的、响应速度快、输出位移大，可靠性高和易于驱动的特点。利用超磁致伸缩材料制作的换能器、音响、直线驱动器、旋转驱动器等在国防军事、家电设备、机器人、微机械电子系统等领域得到了广泛的应用。现有的超磁致伸缩电机文献中国专利“一种单驱双向旋转型超磁致伸缩电机”提出了一种采用超磁致伸缩驱动器驱动定子扭转，利用定子和转子之间的摩擦力进行力矩传动实现电机旋转的技术方案。

现有技术存在如下不足：采用单一的辞职伸缩驱动器驱动定子扭转，其输出力矩较小；通过定子和转子之间的面接触摩擦驱动转子转动会产生能量损失和发热，且效率比较低，且输出扭矩大小同时受制于材料接触表面粗糙程度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供了一种基于铰链四杆机构的超磁致伸缩步进电机，该步进电机具有输出转矩大、效率高、运行平稳、噪音小和能实现正反两个方向任意角度转动的优点。

为实现上述目的，本发明提出如下的技术方案：一种基于铰链四杆机构的超磁致伸缩步进电机，包括输出轴，由转子、超磁致伸缩驱动器、杠杆、连杆、定子和离合器组成的旋转驱动装置，轴承，壳体和端盖；旋转装置中转子和定子同轴，转子和离合器为同轴固定连接，超磁致伸缩驱动器可输出长度方向的伸缩运动，超磁致伸缩驱动器一端和定子固定连接、另一端和杠杆一端形成转动副连接，杠杆和定子之间通过定子内圈凸出的支架形成转动副连接，杠杆支点到与超磁致伸缩驱动器连接一端的距离小于到与连杆连接一端的距离，杠杆另一端和连杆形成转动副连接，连杆另一端和转子以转动副形式连接，连杆和转子连接点所对应的转子半径与连杆之间所成的角度为钝角，连杆和杠杆之间所成的角度也为钝角，磁致伸缩器的长度方向和其与定子连接点所在半径的方向相同，多个超磁致伸缩驱动器、杠杆和连杆关于转子中心对称均匀分布；旋转驱动装置的定子和壳体之间为固定连接，旋转驱动装置的转子和输出轴为同轴关系，旋转驱动装置的离合器和输出轴为同轴关系，离合器在抱紧状态下旋转驱动装置和输出轴之间为过盈配合，离合器在松开状态下输出轴和旋转驱动装置为间隙配合；输出轴通过轴承和壳体之间形成转动副连接，端盖和壳体之间为可拆卸固定连接。

所述超磁致伸缩驱动器由超磁致伸缩棒和驱动线圈组成，在驱动线圈产生的变化磁场作用下，超磁致伸缩棒会产生沿长度方向的伸缩运动。

所述转子为中心对称的圆盘状，也可以为减重处理后的蜂窝状或轮辐状。

所述连杆和杠杆之间、连杆和转子之间、杠杆和超磁致伸缩驱动器之间以及杠杆和定子之间的转动副连接可以由轴承实现，也可以以柔性铰链的方式实现。

所述起位移放大作用的杠杆可以通过调节支点的位置来调节杠杆的位移放大系数，同时还可以通过调节连杆的长度和转子外径的大小来调节步进角度的大小。

所述壳体为上端开口的空心圆柱体形状，端盖和壳体上端开口通过螺纹连接固定，以将步进电机内部的旋转驱动装置封装起来，增强其防护可靠性。

本发明基于铰链四杆机构的超磁致伸缩步进电机的工作原理为：首先在第一个旋转驱动装置中关于转子中心对称均匀分布的多个超磁致伸缩驱动器的线圈中施加驱动电流并且离合器抱紧输出轴时，由于磁致伸缩电效应超磁致伸缩驱动器产生长度方向的伸长（或缩短）变形，从而在杠杆的位移放大作用下推动连杆带动转子和输出轴进行旋转，当第一个旋转驱动装置中超磁致伸缩驱动器的伸长（或收缩）形变达到最大时，断开第一个旋转驱动装置驱动电流并且松开离合器的同时在第二个旋转驱动装置中关于圆盘转子中心对称均匀分布的多个超磁致伸缩驱动器中施加驱动电流与第一个旋转驱动装置驱动电流方向相同或相反的电流并且使离合器抱紧输出轴，使第二个旋转驱动装置以相同或相反方向的转矩继续驱动输出轴转动，第一个旋转驱动装置则在超磁致伸缩棒的弹性回复力作用下恢复到原来的形状，第二个旋转驱动装置完成一个有限转角的旋转驱动后同样由后面的多个旋转驱动装置进行方向相同方式的步进驱动，最后一个旋转驱动装置完成步进驱动后可继续从第一个旋转驱动装置循环，以此来实现步进电机在正反两个方向任意角度的旋转。