CN101615862B - 超磁致伸缩并联微位移致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超磁致伸缩并联微位移致动器。它采用多根超磁致伸缩材料(GMM)短棒实现磁路并联，或在激励线圈外布置GMM短环，以降低GMM的磁阻，降低线圈欧姆功耗。GMM材料和电磁线圈在结构上实现分离，降低线圈发热对致动器的影响。GMM的磁致伸缩位移通过一种微位移放大器放大后输出。

Description

超磁致伸缩并联微位移致动器

技术领域

本发明涉及一种超磁致伸缩微位移致动器，特别是一种超磁致伸缩并联微位移致动器，可用于振动控制、精密加工等领域。

背景技术

超磁致伸缩微位移致动器具有大位移、强力、高精度、快速响应、高可靠性和低压驱动等优点。但是现有技术存在功耗大、实际换能效率低等问题，由此引发的发热温升问题影响输出量和输出精度。

现有超磁致伸缩微位移致动器由棒状超磁致伸缩材料、电磁线圈、软磁材料、预应力装置和输出杆等组成。其共同特点是：磁致伸缩棒安装在电磁线圈轴心位置；磁致伸缩棒的伸缩量通过输出杆直接输出。对于这种结构的致动器，由于磁致伸缩棒的长径比往往较大，要求线圈励磁能力强，而且电磁线圈尺寸受到磁致伸缩棒的限制，所以致动器的体积大、欧姆功耗也大。另外，电磁线圈产生的热量直接影响磁致伸缩棒，引起磁致伸缩棒热变形并导致磁致伸缩性能的变化。

为了降低功耗，普遍采用的方法是采用永久磁钢产生偏置磁场，变化磁场由激励线圈提供。例如，CN1670977A等利用永久磁钢产生偏置磁场，电磁线圈产生动态磁场，以降低线圈体积和功耗。

在致动器中设置各种冷却装置，控制磁致伸缩棒的温升。例如，CN2938418Y在线圈的内外层加装两层水套来冷却致动器；CN2694608Y在超磁致伸缩棒和驱动线圈之间加装一种相变温控装置，利用相变吸收热量，在短时间内可以控制超磁致伸缩棒的温度。无论采用何种冷却方法，都必然会增加致动器体积和线圈功耗。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种超磁致伸缩并联微位移致动器，改善其性能，降低激励线圈的功耗和尺寸。本发明基于以下原理和事实：(1)以稀土为原料的超磁致伸缩材料(GMM)虽然具有大的变形能力，但是它的磁导率远低于铁磁材料，所以致动器中磁路的磁阻主要集中在GMM上。GMM棒材内磁场强度一定时，激励线圈产生的磁动势(线圈匝数和电流的乘积)应随着GMM棒材的长度增加而增加。(2)激励线圈的铜耗和线圈的电流密度的平方、线圈内导体体积成正比。激励线圈的磁动势是电流密度和线圈轴向截面导体面积之积。(3)GMM的换能功率取决于GMM体积，不是长度。

本发明的低功耗磁致伸缩致动器是：采用多根GMM短棒并联，以降低GMM的磁阻；GMM短棒和电磁线圈在结构上分离；GMM的磁致伸缩位移通过一种位移放大器放大后输出。图1给出了上述致动器的工作原理。多根磁致伸缩短棒7按其伸缩方向(即d33方向)并排安装。电磁线圈1内部装有铁芯2，通过软磁材料4、11和多根磁致伸缩短棒7构成多个封闭的磁力线回路。GMM棒的伸缩量随着磁场强度的变化而变化。GMM棒一端固定，另一端和柱销10连接。伸长的GMM棒推动柱销10，通过挤压封闭油腔里的流体介质12，推动输出柱销13。调节输入柱销10和输出柱销13的数量和直径，可以调节放大倍数。

本发明提供的致动器将多根GMM短棒并联，使多根GMM棒共享激励磁场。相对上述配置，已有技术实际上是多根磁致伸缩短棒的串联。对于n根等长的GMM棒，并联GMM上的磁动势只有串联GMM的n平方分之一。由此可见，在同等输出功率条件下，并联GMM棒可以大幅度降低激励线圈的功率损耗和线圈尺寸。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种超磁致伸缩并联微位移致动器，包括GMM和励磁线圈，其特征在于：一个GMM环或多根GMM棒并列在由一个或几个并联的励磁线圈共同产生的封闭磁路上。所述GMM棒或GMM环产生的微位移经过一个位移放大器放大后输出。

上述封闭磁路是从所述励磁线圈内的铁芯上端经上导磁盘、导磁环、上磁靴、GMM、下磁靴和下导磁盘回到铁芯下端，所述零件除GMM外均具有高导磁能力。

上述励磁线圈内安置铁芯，所述GMM的高度小于所述励磁线圈的高度。

上述位移放大器为一个充满液压油的封闭油腔，其输入端为连接所述各GMM棒上端的上磁靴的输入波纹管，其输出端为连接所述封闭油腔顶端的一个或多个输出波纹管。

上述多个GMM棒可排列为圆周阵列、或单排阵列、或矩形阵列、或弧形阵列，所述GMM棒是磁致伸缩方向为轴向的GMM短棒。

上述GMM环为磁致伸缩方向为轴向的GMM短环。

本发明和已有技术相比具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：由于采用了多个并联的励磁线圈，每个励磁线圈的体积小、铜损小、温升低；励磁线圈结构尺寸不受磁致伸缩棒的限制；线圈和磁致伸缩棒分离，降低了线圈的温升对磁致伸缩棒的影响；液压位移放大器容易实现多点浮动输出，输入输出位置可以自由配置，方便各种应用。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图

图2为本发明第一实施例的轴向剖面图

图3为本发明第一实施例的截面图

图4为本发明第二实施例的GMM和线圈的配置

图5为本发明第三实施例的GMM和线圈的配置

图6为本发明第四实施例的多浮动输出结构图

图7为本发明第五实施例的GMM为短环时的轴剖面图

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：参见图1，本超磁致伸缩并联微位移致动器包括GMM7和励磁线圈1，一个GMM环7’或多根GMM棒7并列在由一个或几个并联的励磁线圈1共同产生的封闭磁路上。所述GMM环7’或GMM棒7产生的微位移经过一个位移放大器12放大后输出。

图2和图3示出了本发明的第一实施例。本例主要由一个带铁芯的电磁线圈、6根GMM短棒和一个液压式的微位移放大器组成。需要特别指出的是，这里的GMM棒的根数可以是其他数目，不只限于6根。GMM棒7以线圈1的轴心为中心沿圆周方向均匀分布，如图3所示。铁芯2、上导磁盘11、导磁环9、上磁靴8、GMM棒7、下磁靴5和下导磁盘4构成的封闭磁路。在上述磁路中，除了GMM棒之外，其余零件均由高导磁率的软磁材料制成。导磁环9固定在上导磁盘8上。导磁环9上开有和GMM棒相同数目的孔，上磁靴8固定在位移放大器的输入端，穿过导磁环9的孔，可以作上下自由移动。下磁靴5则固定在下导磁盘4上。GMM棒7位于上下磁靴之间。磁靴的作用是将磁力线集中起来，并在GMM材料区域内形成均匀的磁场。保持块6保持GMM棒和上下磁靴之间的相对位置，并通过螺栓14连接上下导磁盘。保持块6用非导磁材料制造。

在磁场作用下，6根GMM棒7同步伸缩，共同驱动微位移放大器的相应输入端移动。

微位移放大器12是由一个充满液压油的封闭油腔、6个输入波纹管10和1个或几个输出波纹管13构成。输入波纹管10的一端封闭，一端开放。开放一端和油腔连通；封闭的一端是微位移放大器的输入端。输入波纹管10的周向是波浪形的回转薄壁，具有较小的轴向刚度、较大的径向刚度和一定的内部压力承载能力。输出波纹管13和输入波纹管10的结构相似。当输入波纹管10压缩时，封闭油腔的容积变小，迫使输出波纹管13向外伸长，起到位移的放大作用。

本发明提出的超磁致伸缩致动器的GMM棒和线圈的布置可以有多种形式。除了上述实施例中的GMM棒圆周阵列以外，GMM棒还可以排列成单排阵列、矩形阵列或弧形阵列。线圈的数目可以是一个也可以是多个。图4示出本发明的第二实施例，包括三根GMM棒7和一个线圈1。其中三根GMM棒7呈弧形阵列布置，GMM棒7和线圈1呈扇形配置。

图5示出本发明的第三实施例，其中共有四根GMM棒7呈方形阵列，两个励磁线圈1并列在左右两侧。这种拓扑形式的好处是线圈对GMM的热影响较小。

图2所示的实施例中的位移放大器是多输入单输出的液压微位移放大器，致动器只有一个位移输出。除此以外还可以配置成多点位移输出。图6给出本发明的第四实施例的微位移放大器，它是一种双位移输出的位移放大器。液压微位移放大器配有两个输出波纹管13，可以同时输出两个位移。由于油腔油压的作用，这两个输出端的输出力基本一致，但输出位移可能不同，实现浮动的双位移输出。

在图2所示的第一实施例中，如果将GMM棒的数量无限增大，圆周分布的无数根短棒演变成一个短环，就得到如图7所示的本发明的第五个实施例，其GMM环7’和励磁线圈1同心，GMM套在线圈的外面。铁芯2、导磁盘9、导磁环8、GMM环7’和底盘4组成封闭磁路。底盘4通过螺纹和外壳15连接。当GMM环7’沿轴向伸长，经过导磁环8推动液压位移放大器的输入波纹管10，将位移从输出波纹管13放大输出。

Claims (4)

1.一种超磁致伸缩并联微位移致动器，包括GMM(7)和励磁线圈(1)，其特征在于：一个GMM环(7’)或多根GMM棒(7)并列在由一个或几个并联的励磁线圈(1)共同产生的封闭磁路上；所述GMM棒或GMM环产生的微位移经过一个位移放大器(12)放大后输出；所述励磁线圈(1)内安置铁芯(2)，所述GMM(7)的高度小于所述励磁线圈(1)的高度；所述封闭磁路是从所述励磁线圈(1)内的铁芯(2)上端依次经一个上导磁盘(11)、一个导磁环(9)、一个上磁靴(8)、一个GMM环或多个GMM棒(7)、一个下磁靴(5)和一个下导磁盘(4)回到所述铁芯(2)下端，所述零件除GMM外均具有高导磁能力。

2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩并联微位移致动器，其特征在于所述位移放大器(12)为一个充满液压油的封闭油腔，其输入端为连接所述各GMM棒(7)上端的上磁靴(8)的一个输入波纹管(10)，其输出端为连接所述封闭油腔顶端的一个或多个输出波纹管(13)。

3.根据权利要求1所述的超磁致伸缩并联微位移致动器，其特征在于所述多个GMM棒(7)的排列为圆周阵列、或单排阵列、或矩形阵列、或弧形阵列，所述GMM棒(7)为磁致伸缩方向为轴向的GMM短棒。

4.根据权利要求1所述的超磁致伸缩并联微位移致动器，其特征在于所述GMM环(7’)为磁致伸缩方向为轴向的GMM短环。

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