專利名稱：超磁致伸縮并聯(lián)微位移致動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超磁致伸縮微位移致動(dòng)器，特別是一種超磁致伸縮并聯(lián)微位移致動(dòng)器， 可用于振動(dòng)控制、精密加工等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超磁致伸縮微位移致動(dòng)器具有大位移、強(qiáng)力、高精度、快速響應(yīng)、高可靠性和低壓驅(qū)動(dòng) 等優(yōu)點(diǎn)。但是現(xiàn)有技術(shù)存在功耗大、實(shí)際換能效率低等問(wèn)題，由此引發(fā)的發(fā)熱溫升問(wèn)題影響 輸出量和輸出精度。
現(xiàn)有超磁致伸縮微位移致動(dòng)器由棒狀超磁致伸縮材料、電磁線圈、軟磁材料、預(yù)應(yīng)力裝 置和輸出桿等組成。其共同特點(diǎn)是磁致伸縮棒安裝在電磁線圈軸心位置；磁致伸縮棒的伸 縮量通過(guò)輸出桿直接輸出。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的致動(dòng)器，由于磁致伸縮棒的長(zhǎng)徑比往往較大，要 求線圈勵(lì)磁能力強(qiáng)，而且電磁線圈尺寸受到磁致伸縮棒的限制，所以致動(dòng)器的體積大、歐姆 功耗也大。另外，電磁線圈產(chǎn)生的熱量直接影響磁致伸縮棒，引起磁致伸縮棒熱變形并導(dǎo)致 磁致伸縮性能的變化。
為了降低功耗，普遍采用的方法是采用永久磁鋼產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，變化磁場(chǎng)由激勵(lì)線圈提 供。例如，CN1670977A等利用永久磁鋼產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，電磁線圈產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，以降低線圈 體積和功耗。
在致動(dòng)器中設(shè)置各種冷卻裝置，控制磁致伸縮棒的溫升。例如，CN2938418Y在線圈的內(nèi) 外層加裝兩層水套來(lái)冷卻致動(dòng)器；CN2694608Y在超磁致伸縮棒和驅(qū)動(dòng)線圈之間加裝一種相變 溫控裝置，利用相變吸收熱量，在短時(shí)間內(nèi)可以控制超磁致伸縮棒的溫度。無(wú)論采用何種冷 卻方法，都必然會(huì)增加致動(dòng)器體積和線圈功耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種超磁致伸縮并聯(lián)微位移致動(dòng)器，
改善其性能，降低激勵(lì)線圈的功耗和尺寸。本發(fā)明基于以下原理和事實(shí)(1)以稀土為原料 的超磁致伸縮材料(G薩)雖然具有大的變形能力，但是它的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)低于鐵磁材料，所以致動(dòng)
器中磁路的磁阻主要集中在G腿上。GMM棒材內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)(線 圈匝數(shù)和電流的乘積)應(yīng)隨著G畫(huà)棒材的長(zhǎng)度增加而增加。(2)激勵(lì)線圈的銅耗和線圈的電 流密度的平方、線圈內(nèi)導(dǎo)體體積成正比。激勵(lì)線圈的磁動(dòng)勢(shì)是電流密度和線圈軸向截面導(dǎo)體 面積之積。(3) G醒的換能功率取決于G畫(huà)體積，不是長(zhǎng)度。
本發(fā)明的低功耗磁致伸縮致動(dòng)器是采用多根GMM短棒并聯(lián)，以降低GMM的磁阻；G畫(huà)短棒和電磁線圈在結(jié)構(gòu)上分離；G醒的磁致伸縮位移通過(guò)一種位移放大器放大后輸出。圖1 給出了上述致動(dòng)器的工作原理。多根磁致伸縮短棒7按其伸縮方向(即d33方向)并排安裝。 電磁線圈1內(nèi)部裝有鐵芯2，通過(guò)軟磁材料4、 11和多根磁致伸縮短棒7構(gòu)成多個(gè)封閉的磁 力線回路。G醒棒的伸縮量隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化。G醒棒一端固定，另一端和柱銷10 連接。伸長(zhǎng)的G薩棒推動(dòng)柱銷10，通過(guò)擠壓封閉油腔里的流體介質(zhì)12,推動(dòng)輸出柱銷13。 調(diào)節(jié)輸入柱銷10和輸出柱銷13的數(shù)量和直徑，可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。
本發(fā)明提供的致動(dòng)器將多根GMM短棒并聯(lián)，使多根G腿棒共享激勵(lì)磁場(chǎng)。相對(duì)上述配置， 己有技術(shù)實(shí)際上是多根磁致伸縮短棒的串聯(lián)。對(duì)于n根等長(zhǎng)的G醒棒，并聯(lián)G麗上的磁動(dòng)勢(shì) 只有串聯(lián)GMl的n平方分之一。由此可見(jiàn)，在同等輸出功率條件下，并聯(lián)GM1棒可以大幅度 降低激勵(lì)線圈的功率損耗和線圈尺寸。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種超磁致伸縮并聯(lián)微位移致動(dòng)器，包括G醒和勵(lì)磁線圈，其特征在于 一個(gè)G畫(huà)環(huán)或 多根GMM棒并列在由一個(gè)或幾個(gè)并聯(lián)的勵(lì)磁線圈共同產(chǎn)生的封閉磁路上。所述GMM棒或GMM 環(huán)產(chǎn)生的微位移經(jīng)過(guò)一個(gè)位移放大器放大后輸出。
上述封閉磁路是從所述勵(lì)磁線圈內(nèi)的鐵芯上端經(jīng)上導(dǎo)磁盤、導(dǎo)磁環(huán)、上磁靴、GM1、下 磁靴和下導(dǎo)磁盤回到鐵芯下端，所述零件除G醒外均具有高導(dǎo)磁能力。
上述勵(lì)磁線圈內(nèi)安置鐵芯，所述GMM的高度小于所述勵(lì)磁線圈的高度。
上述位移放大器為一個(gè)充滿液壓油的封閉油腔，其輸入端為連接所述各G固棒上端的上 磁靴的輸入波紋管，其輸出端為連接所述封閉油腔頂端的一個(gè)或多個(gè)輸出波紋管。
上述多個(gè)GMM棒可排列為圓周陣列、或單排陣列、或矩形陣列、或弧形陣列，所述一個(gè) G麗棒是一根磁致伸縮方向?yàn)檩S向的G畫(huà)短棒。
上述GMM環(huán)為磁致伸縮方向?yàn)檩S向的G醒短環(huán)。
本發(fā)明和已有技術(shù)相比具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)由于采用了多 個(gè)并聯(lián)的勵(lì)磁線圈，每個(gè)勵(lì)磁線圈的體積小、銅損小、溫升低；勵(lì)磁線圈結(jié)構(gòu)尺寸不受磁致 伸縮棒的限制；線圈和磁致伸縮棒分離，降低了線圈的溫升對(duì)磁致伸縮棒的影響；液壓位移 放大器容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)浮動(dòng)輸出，輸入輸出位置可以自由配置，方便各種應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖
圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例的軸向剖面圖
圖3為本發(fā)明第一實(shí)施例的截面4為本發(fā)明第二實(shí)施例的G醒和線圈的配置 圖5為本發(fā)明第三實(shí)施例的G醒和線圈的配置 圖6為本發(fā)明第四實(shí)施例的多浮動(dòng)輸出結(jié)構(gòu)圖 圖7為本發(fā)明第五實(shí)施例的G醒為短環(huán)時(shí)的軸剖面圖
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下參見(jiàn)圖1，本超磁致伸縮并聯(lián)微位移致動(dòng)器包 括GMM7和勵(lì)磁線圈1， 一個(gè)G醒環(huán)或多根GMM棒7并列在由一個(gè)或幾個(gè)并聯(lián)的勵(lì)磁線圈l共 同產(chǎn)生的封閉磁路上。所述G麗環(huán)或G麗棒7產(chǎn)生的微位移經(jīng)過(guò)一個(gè)位移放大器12放大后輸 出。
圖2和圖3示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例。本例主要由一個(gè)帶鐵芯的電磁線圈、6根G醒 短棒和一個(gè)液壓式的微位移放大器組成。需要特別指出的是，這里的GMM棒的根數(shù)可以是其 他數(shù)目，不只限于6根。G醒棒7以線圈1的軸心為中心沿圓周方向均勻分布，如圖3所示。 鐵芯2、上導(dǎo)磁盤ll、導(dǎo)磁環(huán)9、上磁靴8、 GMM棒7、下磁靴5和下導(dǎo)磁盤4構(gòu)成的封閉磁 路。在上述磁路中，除了G醒棒之外，其余零件均由高導(dǎo)磁率的軟磁材料制成。導(dǎo)磁環(huán)9固 定在上導(dǎo)磁盤8上。導(dǎo)磁環(huán)9上開(kāi)有和G醒棒相同數(shù)目的孔，上磁靴8固定在位移放大器的 輸入端，穿過(guò)導(dǎo)磁環(huán)9的孔，可以作上下自由移動(dòng)。下磁靴5則固定在下導(dǎo)磁盤4上。GMM 棒7位于上下磁靴之間。磁靴的作用是將磁力線集中起來(lái)，并在G醒材料區(qū)域內(nèi)形成均勻的 磁場(chǎng)。保持塊6保持GM1棒和上下磁靴之間的相對(duì)位置，并通過(guò)螺栓14連接上下導(dǎo)磁盤。保 持塊6用非導(dǎo)磁材料制造。
在磁場(chǎng)作用下，6根G醒棒7同步伸縮，共同驅(qū)動(dòng)微位移放大器的相應(yīng)輸入端移動(dòng)。 微位移放大器12是由一個(gè)充滿液壓油的封閉油腔、6個(gè)輸入波紋管10和1個(gè)或幾個(gè)輸 出波紋管13構(gòu)成。輸入波紋管10的一端封閉， 一端開(kāi)放。開(kāi)放一端和油腔連通；封閉的一 端是微位移放大器的輸入端。輸入波紋管IO的周向是波浪形的回轉(zhuǎn)薄壁，具有較小的軸向剛 度、較大的徑向剛度和一定的內(nèi)部壓力承載能力。輸出波紋管13和輸入波紋管IO的結(jié)構(gòu)相 似。當(dāng)輸入波紋管10壓縮時(shí)，封閉油腔的容積變小，迫使輸出波紋管13向外伸長(zhǎng)，起到位 移的放大作用。
本發(fā)明提出的超磁致伸縮致動(dòng)器的GMM棒和線圈的布置可以有多種形式。除了上述實(shí)施 例中的G^1棒圓周陣列以外，G醒棒還可以排列成單排陣列、矩形陣列或弧形陣列。線圈的 數(shù)目可以是一個(gè)也可以是多個(gè)。圖4示出本發(fā)明的第二實(shí)施例，包括三根G醒棒7和一個(gè)線 圈l。其中三根G廳棒7呈弧形陣列布置，G醒棒7和線圈1呈扇形配置。圖5示出本發(fā)明的第三實(shí)施例，其中共有四根GMM棒7呈方形陣列，兩個(gè)勵(lì)磁線圈l并 列在左右兩側(cè)。這種拓?fù)湫问降暮锰幨蔷€圈對(duì)G畫(huà)的熱影響較小。
圖2所示的實(shí)施例中的位移放大器是多輸入單輸出的液壓微位移放大器，致動(dòng)器只有一 個(gè)位移輸出。除此以外還可以配置成多點(diǎn)位移輸出。圖6給出本發(fā)明的第四實(shí)施例的微位移 放大器，它是一種雙位移輸出的位移放大器。液壓微位移放大器配有兩個(gè)輸出波紋管13，可 以同時(shí)輸出兩個(gè)位移。由于油腔油壓的作用，這兩個(gè)輸出端的輸出力基本一致，但輸出位移 可能不同，實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)的雙位移輸出。
在圖2所示的第一實(shí)施例中，如果將GMM棒的數(shù)量無(wú)限增大，圓周分布的無(wú)數(shù)根短棒演 變成一個(gè)短環(huán)，就得到如圖7所示的本發(fā)明的第五個(gè)實(shí)施例，其GMM環(huán)7和勵(lì)磁線圈1同心， G應(yīng)套在線圈的外面。鐵芯2、導(dǎo)磁盤9、導(dǎo)磁環(huán)8、 GMM環(huán)7和底盤4組成封閉磁路。底盤4 通過(guò)螺紋和外殼15連接。當(dāng)G應(yīng)環(huán)7沿軸向伸長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)導(dǎo)磁環(huán)8推動(dòng)液壓位移放大器的輸入 波紋管10，將位移從輸出波紋管13放大輸出。
權(quán)利要求
1.一種超磁致伸縮并聯(lián)微位移致動(dòng)器，包括GMM(7)和勵(lì)磁線圈(1)，其特征在于一個(gè)GMM環(huán)或多根GMM棒(7)并列在由一個(gè)或幾個(gè)并聯(lián)的勵(lì)磁線圈(1)共同產(chǎn)生的封閉磁路上。所述GMM棒或GMM環(huán)產(chǎn)生的微位移經(jīng)過(guò)一個(gè)位移放大器(12)放大后輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超磁致伸縮并聯(lián)微位移致動(dòng)器，其特征在于所述封閉磁路是從所述 勵(lì)磁線圈(1)內(nèi)的鐵芯(2)上端經(jīng)上導(dǎo)磁盤(11)、導(dǎo)磁環(huán)(9)、上磁靴(8)、 G薩棒(7)、下 磁靴(5)和下導(dǎo)磁盤(4)回到鐵芯(2)下端，所述零件除G醒棒(7)外均具有高導(dǎo)磁能力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超磁致伸縮并聯(lián)微位移致動(dòng)器，其特征在于所述勵(lì)磁線圈(l)內(nèi)安 置鐵芯(2)，所述G醒(7)的高度小于所述勵(lì)磁線圈(1)的高度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超磁致伸縮并聯(lián)微位移致動(dòng)器，其特征在于所述位移放大器(12) 為一個(gè)充滿液壓油的封閉油腔，其輸入端為連接所述各G醒棒(7)上端的上磁靴(8)的輸入 波紋管(10)，其輸出端為連接所述封閉油腔頂端的一個(gè)或多個(gè)輸出波紋管(13)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超磁致伸縮并聯(lián)微位移致動(dòng)器，其特征在于所述多個(gè)G腿棒(7)的 排列為圓周陣列、或單排陣列、或矩形陣列、或弧形陣列，所述一個(gè)GMM棒為一個(gè)磁致伸 縮方向?yàn)檩S向的GMM短棒。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超磁致伸縮并聯(lián)微位移致動(dòng)器，其特征在于所述G^1環(huán)(7)為磁致 伸縮方向?yàn)檩S向的GMM短環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超磁致伸縮并聯(lián)微位移致動(dòng)器。它采用多根超磁致伸縮材料(GMM)短棒實(shí)現(xiàn)磁路并聯(lián)，或在激勵(lì)線圈外布置GMM短環(huán)，以降低GMM的磁阻，降低線圈歐姆功耗。GMM材料和電磁線圈在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)分離，降低線圈發(fā)熱對(duì)致動(dòng)器的影響。GMM的磁致伸縮位移通過(guò)一種微位移放大器放大后輸出。
文檔編號(hào)H02N2/02GK101615862SQ200910050349
公開(kāi)日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者吳家龍, 徐青青, 李寶福, 文 王 申請(qǐng)人:上海大學(xué)