CN101110557A - 微位移巨磁致伸缩材料致动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微位移巨磁致伸缩材料致动器，包括有磁耦、磁轭、磁致伸缩棒、电磁线圈、上永磁圆环、下永磁圆环、输出杆、碟簧，下端盖装配在壳体的底部，下端盖的凸部外面套装有下永磁圆环，下端盖的凸部的端面上放置有磁致伸缩棒，磁致伸缩棒的外面套有电磁线圈，磁致伸缩棒的上端面放置有磁耦，磁耦的外面从下至上套装有上永磁圆环、磁轭，磁耦上端面顶紧在输出杆的凸缘端的下端面上，输出杆的凸缘与上端盖的下端面之间安装有碟簧，输出杆的中心设有螺纹孔。本发明致动器的优点是上下两端的永磁圆环布置可以为φ8～50×10～100mm磁致伸缩棒提供较均匀的偏置磁场，而永磁体与线圈的上下布置可以减小致动器的径向体积，激励磁场、偏置磁场与磁耦、磁轭配合形成闭合磁路，可以提高致动器的工作效率，使本发明具有了小体积、高性能，且工作稳定可靠等优点。

Description

微位移巨磁致伸缩材料致动器

技术领域

本发明涉及一种致动器，更特别地说，是指一种应用于航空航天领域的小型化微位移巨磁致伸缩材料致动器。本发明设计的致动器尺寸为φ8～50×10～100mm。

背景技术

巨磁致伸缩材料作为一类新型高效的电(磁)能-机械(声)能转换材料，在航空航天、电子电力、信息通讯等智能结构领域具有巨大的应用潜力。没有体积和重量限制的大尺寸磁致伸缩器件设计上相对简单，既可以采用电磁线圈，也可以采用不同形式的永磁体提供偏置磁场。只要尺寸足够大，就可以保证性能要求。目前应用比较广泛的是采用直流线圈(或在激励电流上叠加直流偏置电流)和圆筒永磁体的方式为驱动器施加偏置磁场。

在当今航空工业的发展中，对航空元器件的重量、体积的要求愈来愈严格。特别是航空军事领域，为了保证整机的机动、灵活性，减小机载量及功率消耗，尽量要求元器件体积小、重量轻。而巨磁致伸缩材料在航空航天领域应用的瓶颈问题是在某些方面仍显笨重，需要微小型化。同时，由于发热问题对微小器件影响较大，不宜采用电磁线圈提供偏置磁场的方式。

公开号CN2621239中采用了圆筒永磁体提供偏置磁场的布置方式，该布置方式适用于大尺寸的超磁致伸缩材料减振作动器。该作动器的超磁致伸缩棒与激励线圈、永磁体形成的磁路为开路形式。

发明内容

本发明的目的是提供一种小型化φ8～50×10～100mm微位移巨磁致伸缩材料致动器，该致动器通过在磁致伸缩棒7的上端面上放置一磁耦4，并在磁耦4的外面套装上永磁圆环5、磁轭12；在磁致伸缩棒7的下端面上由下端盖8的凸部13顶紧，并且在下端盖8的凸部13的外面套装下永磁圆环9；以及与电磁线圈6形成一个闭合磁路16。磁路16在磁致伸缩棒7的中轴线上的磁场是均匀分布的。

本发明是一种微位移巨磁致伸缩材料致动器，包括有磁耦、磁轭、磁致伸缩棒、电磁线圈、上永磁圆环、下永磁圆环、输出杆、碟簧，下端盖装配在壳体的底部，下端盖的凸部外面套装有下永磁圆环，下端盖的凸部的端面上放置有磁致伸缩棒，磁致伸缩棒的外面套有电磁线圈，磁致伸缩棒的上端面放置有磁耦，磁耦的外面从下至上套装有上永磁圆环、磁轭，磁耦上端面顶紧在输出杆的凸缘端的下端面上，输出杆的凸缘与上端盖的下端面之间安装有碟簧，输出杆的中心设有螺纹孔。所述磁致伸缩棒位于电磁线圈的轴心位置，为了减小致动器直径φ，所述上永磁圆环、下永磁圆环布置在电磁线圈的上下两端。在本发明中，上永磁圆环和下永磁圆环的结构相同。

本发明小型化微位移巨磁致伸缩材料致动器的优点在于：(1)电磁线圈6与上下永磁体成上下布置，有效地减小了致动器的径向尺寸；(2)电磁线圈6产生的激励磁场、上永磁圆环5产生的偏置磁场、下永磁圆环9产生的偏置磁场、与磁轭12、磁耦4、磁致伸缩棒7组成一闭合磁路，提高了致动器的能量转换效率；(3)采用数值计算及有限元分析对磁路与结构进行优化设计，获得体积小、重量轻、尺寸为φ8～50×10～100mm的高性能巨磁致伸缩微小致动器；(4)磁耦4采用圆锥形结构，与磁轭12相配合，既有效地封闭了磁路，同时有利于磁致伸缩棒7的快速伸缩；(5)采用数值计算及有限元分析对上下永磁体圆环的尺寸及结构配置进行优化设计，可以为小尺寸的智能材料棒提供均匀的偏置磁场。

附图说明

图1是本发明微小型微位移巨磁致伸缩材料致动器的结构剖面图。

图1A是本发明微小型微位移巨磁致伸缩材料致动器的内部磁路走向示意图。

图2是本发明实施例1中的未考虑磁轭、磁耦作用时的开路磁场分布。

图3是本发明实施例1中的添加磁轭、磁耦后的闭合磁场分布。

图中：    1.输出杆     2.上端盖      3.碟簧      4.磁耦5.上永磁圆环  6.电磁线圈   7.磁致伸缩棒  8.下端盖    9.下永磁圆环10.连接螺孔   11.壳体      12.磁轭       13.凸部     14.凸缘15.螺纹孔     16.磁路

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种小型化微位移巨磁致伸缩材料致动器，(A)为了适用于航空航天领域对致动器微小型结构的需求，设计的致动器尺寸为φ8～50×10～100mm；(B)为节省铜耗，减小直流发热，采用电磁线圈6提供激励磁场，永磁体(上永磁圆环5、下永磁圆环9)提供偏置磁场的磁驱动方式。根据恒定电流I产生磁场的规律，应用毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律，可以获得本发明致动器中磁致伸缩棒7在中轴线上的磁场分布，以及中轴线上的磁场强度B_x；然后根据磁场强度B_x来分析电磁线圈6产生磁场的分布情况。

本发明是一种小型化微位移巨磁致伸缩材料致动器，包括有磁耦4、磁轭12、磁致伸缩棒7、电磁线圈6、上永磁圆环5、下永磁圆环9、输出杆1、碟簧3，下端盖8装配在壳体11的底部，下端盖8的凸部13外面套装有下永磁圆环9，下端盖8的凸部13的端面上放置有磁致伸缩棒7，磁致伸缩棒7的外面套有电磁线圈6，磁致伸缩棒7的上端面放置有磁耦4，磁耦4的外面从下至上套装有上永磁圆环5、磁轭12，磁耦4上端面顶紧在输出杆1的凸缘14端的下端面上，输出杆1的凸缘14与上端盖2的下端面之间安装有碟簧3，输出杆1的中心设有螺纹孔15。所述磁致伸缩棒7位于电磁线圈6的轴心位置，为了减小致动器直径φ，所述上永磁圆环5与下永磁圆环9布置在电磁线圈6的上下两端，上永磁圆环5和下永磁圆环9的结构相同。

在本发明中，上永磁圆环5和下永磁圆环9为永磁材料，如钕铁硼、钐钴或者铁氧体永磁等。

在本发明中，磁耦4、磁轭12、下端盖8为导磁体，采用软磁材料，如纯铁、硅钢或者坡莫合金等高磁导率软磁材料。磁耦4设计为圆锥形结构，与磁轭12相配合(即磁耦4的小的部分圆锥端安装在磁轭12的中心锥孔内)，既有效地封闭了磁路，同时有利于磁致伸缩棒7的快速伸缩。

在本发明中，输出杆1、壳体11采用不锈钢、硬铝或者钛合金等材料制成。

本发明的小型化微位移巨磁致伸缩材料致动器为了实现小尺寸的结构设计，采用了数值计算及有限元分析方法来设计磁路16的磁场分布，以及致动器结构的优化设计。

(一)电磁线圈6产生的激励磁场沿中轴线方向的磁场分布为：

$B_x={2\mathrm{\πn}}_1{n}_2{\mathrm{\μ}}_{0}I\{(X+l_1)\ln \frac{R_2+{[R_2^2+{(X+l_1)}^2]}^{\frac{1}{2}}}{R_1+{[R_1^2+{(X+l_1)}^2]}^{\frac{1}{2}}}+(l_1-X)\ln \frac{R_2+{[R_2^2+{(l_1-X)}^2]}^{\frac{1}{2}}}{R_1+{[R_1^2+{(l_1-X)}^2]}^{\frac{1}{2}}}\}.$

根据激励磁场B_x可以核算出多层电磁线圈6产生的磁场分布情况，若激励磁场B_x不满足所需要的磁场强度，则需加大电磁线圈6的外径R₂再进行磁场分布计算，直至满足所需磁场强度为止。此时，电磁线圈6的层数n₂、匝数n₁将随之发生变化。

(二)上永磁圆环5、或者下永磁圆环9产生的偏置磁场沿中轴线方向的磁场分布为：

$B_z=\frac{B_r}{2}\left\{\right[\frac{A}{\sqrt{A^2+R_4^2}}-\frac{C}{\sqrt{C^2+R_4^2}}]-[\frac{A}{\sqrt{A^2+R_3^2}}-\frac{C}{C^2+R_3^2}\left]\right\}$

$-\frac{B_r}{2}\left\{\right[\frac{B}{\sqrt{B^2+R_4^2}}-\frac{D}{\sqrt{D^2+R_4^2}}]-[\frac{B}{\sqrt{B^2+R_3^2}}-\frac{D}{\sqrt{D^2+R_3^2}}\left]\right\}$

式中，A＝X+2l₂+d，B＝X-2l₂-d，C＝X+d，D＝X-d。

在本发明中，由于上永磁圆环5、下永磁圆环9的结构相同，在制作时选取相同材料，使这两个磁环具有相同的剩磁，同时具有相同的偏置磁场，在计算时，只对其中一个磁环计算出偏置磁场即可。

根据偏置磁场B_z可以设计出上永磁圆环5、下永磁圆环9的尺寸，以及所处位置的布置；通过调节上永磁圆环5、下永磁圆环9之间的间距d，可以获得沿中轴线偏置磁场的均匀分布；调节上永磁圆环5、下永磁圆环9之间的间距d与上永磁圆环5、下永磁圆环9的尺寸，可以获得致动器需要的偏置磁场强度；同时利用导磁性能良好的软磁材料作为磁轭12、磁耦4与下端盖8，来收束提升磁致伸缩棒7两端的磁场，有效地提高了能量的转换效率。

为了解析本发明小型化微位移巨磁致伸缩材料致动器采用数值计算及有限元分析方法来优化设计结构，同时分析磁场分布的情况，下面将举例进行详细说明。

实施例1：致动器尺寸等于φ18×20mm

磁致伸缩棒7为直径φ＝5mm、长8mm的Tb_0.3Dy_0.7Fe₂智能材料棒；电磁线圈6(铜线线圈)的高度的一半l₁＝5mm；上永磁圆环5(牌号N35的NdFeB材料，剩磁B_r＝1.2T)与下永磁圆环9(NdFeB材料，剩磁B_r＝1.2T)之间的间距d＝10mm，上永磁圆环5的内半径R₃＝2.5mm，上永磁圆环5的外半径R₄＝3.6mm，上永磁圆环5的高度的一半l₂＝0.8mm(下永磁圆环9与上永磁圆环5结构相同)；

根据材料特性，使致动器尽可能工作在低场区以更好地利用线性段，因此初设致动器的偏置磁场B_z，以偏置磁场下的预伸长状态为起始工作点，当电磁线圈6输入交流电源±4A时，磁致伸缩棒7将产生伸缩变形±4μm。

为了分析磁场在开路条件下的分布情况，本发明人设计了一种在磁致伸缩棒7的上端面未安装磁耦4、磁轭12，与磁致伸缩棒7下端面接触的下端盖8为不导磁材料的结构进行磁场分析。

通过对磁场大小及分布的数值计算及有限元分析，可获得在中轴线上磁场的均匀分布情况，参见图2所示。图中在磁致伸缩棒7中心区域5mm(即中轴线上的任意一点X的具体位置)的范围内，偏置磁场B_z为355±6 Oe(依据偏置磁场B_z公式计算得到)，激励磁场B_x为352±6O e(依据激励磁场B_x公式计算得到)，两磁场叠加后为706±12 Oe。距离磁致伸缩棒7两端面1.5mm的区域磁场有所下降。

根据图1所示的闭合磁路结构进行磁场分析，在磁致伸缩棒7的上端面安装有磁耦4、磁轭12，与磁致伸缩棒7下端面接触的下端盖8为纯铁导磁材料。其磁场强度(指偏置磁场B_z和激励磁场B_x叠加后磁场)有所提高，尤其是磁致伸缩棒7两端的磁场，通过选择合适的导磁率的软磁材料，可以将两端的磁场提高到与中心持平。从而在整个磁致伸缩棒7长度范围内获得均匀的磁场分布，其磁场如图3所示。偏置磁场B_z(依据偏置磁场B_z公式计算得到)与激励磁场B_x(依据激励磁场B_x公式计算得到)叠加后，在磁致伸缩棒7棒长8mm的范围内磁场达到777±9 Oe，磁场不均匀性为1.6％，说明了本发明设计的磁路在磁致伸缩棒7的棒长范围具有较为均匀的磁场分布。

实施例2：致动器尺寸等于φ12×15mm

磁致伸缩棒7为直径φ＝3mm、长5mm的Tb_0.36Dy_0.64(Fe_0.65Co_0.35)₂智能材料棒；电磁线圈6(铜线线圈)的高度的一半l₁＝3mm；上永磁圆环5(牌号N35的NdFeB材料，剩磁B_r＝1.2T)、下永磁圆环9(NdFeB材料，剩磁B_r＝1.2T)之间的间距d＝6mm，上永磁圆环5的内半径R₃＝1.5mm，上永磁圆环5的外半径R₄＝2.2mm，上永磁圆环5的高度的一半l₂＝0.6mm(上永磁圆环5、下永磁圆环9结构相同)；

根据材料特性，当电磁线圈6输入交流电源±5A时，磁致伸缩棒7将产生伸缩变形±2.5μm。

通过对磁场大小及分布的数值计算及有限元分析，可获得磁场在开路条件下中轴线上磁场的均匀分布情况，在磁致伸缩棒7中心区域4mm(即中轴线上的任意一点X的具体位置)的范围内，偏置磁场B_z为351±8 Oe，激励磁场B_x为348±7 Oe，两磁场叠加后为700±15 Oe。距离磁致伸缩棒7两端面0.6mm的区域磁场有所下降。

根据图1所示的闭合磁路结构进行磁场分析，在磁致伸缩棒7的上端面安装有磁耦4、磁轭12，与磁致伸缩棒7下端面接触的下端盖8为纯铁导磁材料。其磁场强度(指偏置磁场B_z和激励磁场B_x叠加后磁场)有所提高，尤其是磁致伸缩棒7两端的磁场，通过调整选择合适的导磁率的软磁材料，可以将两端的磁场提高到与中心持平。从而在整个磁致伸缩棒7长度范围内获得均匀的磁场分布。偏置磁场B_z与激励磁场B_x叠加后，在磁致伸缩棒7棒长5mm的范围内磁场达到727±11 Oe，磁场不均匀性为1.9％，说明了本发明设计的磁路在磁致伸缩棒7的棒长范围具有较为均匀的磁场分布。

对本发明中电磁线圈6和上永磁圆环5、下永磁圆环9的磁场及尺寸采用数值运算软件编程实现，对添加磁轭12、磁耦4、导磁下端盖8后的磁路采用有限元方法进行分析，应用计算机强大的计算及数据处理功能，获得较为准确的尺寸和磁场参数，为微小型微位移巨磁致伸缩材料致动器提供了新的结构设计方法。

本发明中引用符号的物理意义说明如下表：

Bx	表示电磁线圈6沿中轴线方向上任意点X的磁场强度，简写为激励磁场。
		n1	表示电磁线圈6的单位长度上的匝数，简写为匝数。
n2	表示电磁线圈6的单位高度上的层数，简写为层数。
		μ0	表示真空磁导率，且μ0＝4π×10-7N//A2。
I	表示加载在电磁线圈6上的电流，单位A。
		X	表示中轴线上的任意一点。
l1	表示电磁线圈6的线圈长度的一半。
		R1	表示电磁线圈6的内半径。
R2	表示电磁线圈6的外半径。
		Bz	表示上永磁圆环5、或者下永磁圆环9沿中轴线方向上任意点X的磁场强度，简写为偏置磁场。
Br	表示上永磁圆环5、或者下永磁圆环9的剩磁。
		l2	表示上永磁圆环5、或者下永磁圆环9的每个圆环高度的一半。
R3	表示上永磁圆环5、或者下永磁圆环9的内半径。
		R4	表示上永磁圆环5、或者下永磁圆环9的外半径。
d	表示上永磁圆环5与下永磁圆环9之间的距离，简写为磁体间距。

Claims (9)

1.一种微位移巨磁致伸缩材料致动器，包括有输出杆(1)、上端盖(2)、下端盖(8)、碟簧(3)、电磁线圈(6)、永磁体、磁致伸缩棒(7)、壳体(11)，其特征在于：还包括有磁耦(4)、磁轭(12)，所述永磁体分为上永磁圆环(5)和下永磁圆环(9)；下端盖(8)装配在壳体(11)的底部，下端盖(8)的凸部(13)外面套装有下永磁圆环(9)，下端盖(8)的凸部(13)的端面上放置有磁致伸缩棒(7)；磁致伸缩棒(7)的外面套有电磁线圈(6)，磁致伸缩棒(7)的上端面放置有磁耦(4)；磁耦(4)的外面从下至上套装有上永磁圆环(5)、磁轭(12)，磁耦(4)上端面顶紧在输出杆(1)的凸缘(14)端的下端面上；输出杆(1)的凸缘(14)与上端盖(2)的下端面之间安装有碟簧(3)，输出杆(1)的中心设有螺纹孔(15)；所述磁致伸缩棒(7)位于电磁线圈(6)的轴心位置；所述上永磁圆环(5)与下永磁圆环(9)的结构相同，且上永磁圆环(5)与下永磁圆环(9)布置在电磁线圈(6)的上下两端。

2.根据权利要求1所述的微位移巨磁致伸缩材料致动器，其特征在于电磁线圈(6)产生的激励磁场沿中轴线方向的磁场分布为：

$B_x=2\mathrm{\π}{n}_1{n}_2{\mathrm{\μ}}_{0}I\{(X+l_1)\ln \frac{R_2+{[R_2^2+{(X+l_1)}^2]}^{\frac{1}{2}}}{R_1+{[R_1^2+{(X+l_1)}^2]}^{\frac{1}{2}}}+(l_1-X)\ln \frac{R_2+{[R_2^2+{(l_1-X)}^2]}^{\frac{1}{2}}}{R_1+{[R_1^2+{(l_1-X)}^2]}^{\frac{1}{2}}}\},$

式中，B_x表示激励磁场，n₁表示电磁线圈(6)的单位长度上的匝数，n₂表示电磁线圈(6)的单位高度上的层数，μ₀表示真空磁导率，且μ₀＝4π×10^-7牛顿/安培²，I表示加载在电磁线圈(6)上的电流，X表示中轴线上的任意一点，l₁表示电磁线圈(6)的线圈长度的一半，R₁表示电磁线圈(6)的内半径，R₂表示电磁线圈(6)的外半径。

3.根据权利要求1所述的微位移巨磁致伸缩材料致动器，其特征在于上永磁圆环(5)、或者下永磁圆环(9)产生的偏置磁场沿中轴线方向的磁场分布为：

$B_z=\frac{B_r}{2}\left\{\right[\frac{A}{\sqrt{A^2+R_4^2}}-\frac{C}{\sqrt{C^2+R_4^2}}]-[\frac{A}{\sqrt{A^2+R_3^2}}-\frac{C}{\sqrt{C^2+R_3^2}}]\}$

$-\frac{B_r}{2}\left\{\right[\frac{B}{\sqrt{B^2+R_4^2}}-\frac{D}{\sqrt{D^2+R_4^2}}]-[\frac{B}{\sqrt{B^2+R_3^2}}-\frac{D}{\sqrt{D^2+R_3^2}}]\},$

式中，A＝X+2l₂+d，B＝X-2l₂-d，C＝X+d，D＝X-d；B_z表示偏置磁场，B_r表示上永磁圆环(5)、或者下永磁圆环(9)的剩磁，l₂表示上永磁圆环(5)、或者下永磁圆环(9)的圆环高度的一半，R₃表示上永磁圆环(5)、或者下永磁圆环(9)的内半径，R₄表示上永磁圆环(5)、或者下永磁圆环(9)的外半径，d表示上永磁圆环(5)与下永磁圆环(9)之间的距离。

4.根据权利要求1所述的微位移巨磁致伸缩材料致动器，其特征在于：磁耦(4)为圆锥形结构。

5.根据权利要求1所述的微位移巨磁致伸缩材料致动器，其特征在于：上永磁圆环(5)和下永磁圆环(9)为永磁材料。

6.根据权利要求1所述的微位移巨磁致伸缩材料致动器，其特征在于：磁耦(4)、磁轭(12)、下端盖(8)为采用软磁材料加工的导磁体。

7.根据权利要求1所述的微位移巨磁致伸缩材料致动器，其特征在于：电磁线圈(6)产生的激励磁场、上永磁圆环(5)产生的偏置磁场、下永磁圆环(9)产生的偏置磁场、与磁轭(12)、磁耦(4)、磁致伸缩棒(7)组成闭合磁路。

8.根据权利要求1所述的微位移巨磁致伸缩材料致动器，其特征在于：致动器尺寸为φ8～50×10～100mm。

9.根据权利要求1所述的微位移巨磁致伸缩材料致动器，其特征在于：磁致伸缩棒(7)在加载有±1A～±6A电流的条件下位移为±3μm～±40μm。

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