CN101626202A - 磁致伸缩体致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种产生直线运动的利用电致伸缩或磁致伸缩的电动机或发电机。本磁致伸缩体致动器，包括刚性非导磁支架和设置在刚性非导磁支架内的磁致伸缩体，刚性非导磁支架的一侧或相对的两侧设有贯通口，贯通口内设置相对于贯通口可自由运动的刚性导磁棒，刚性导磁棒与磁致伸缩体固接；刚性非导磁支架外侧设有刚性导磁支架，刚性导磁支架的一侧边开口，其余侧边封闭；刚性导磁支架的周边缠绕电磁线圈；磁致伸缩体与刚性导磁棒、刚性导磁支架构成一个电磁通回路；刚性导磁棒相对于刚性导磁支架的开口侧边可自由运动；刚性非导磁支架、刚性导磁支架皆固定设置。本发明的机构可用于研制要求产生大位移、大负载、高精度驱动功能的仪器和设备。

Description

磁致伸缩体致动器

技术领域

本发明涉及一种产生直线运动的利用电致伸缩或磁致伸缩的电动机或发电机，尤其涉及一种致动器。

背景技术

近些年来，电、磁致伸缩材料领域发展迅速，产生了如巨磁致伸缩材料和磁致伸缩形状记忆合金等新型的可用于精密致动器研制的磁致伸缩智能材料，这类材料具有能量密度大，输出功率高，伸缩形变大、控制精确等优点。但是基于这类伸缩材料研制的致动器件为能达到大伸缩位移和大负载致动能力往往需要能产生强电磁场的大电流激励。但是由于通常制动器设计结构的限制使所需的电磁线圈的尺寸有限，而不能产生超强磁场，特别是为产生强励磁场而加载大电流时，线圈热损耗加剧，线圈发热将直接使磁致伸缩材料产生热膨胀，而直接影响磁致伸缩机构位移的精度。

目前人们为解决此类问题，往往采用在致动器内部再附加一套液体或气体冷却循环系统来平衡电磁线圈的发热。这种解决方法虽然冷却效果不错，但整个致动器结构复杂，整体尺寸增大，并且还需要额外的泵给系统等缺陷。如2007年3月28日授权公告的中国专利，授权公告号为CN1307780C，公开了一种相变温控型超磁致伸缩微位移致动器，其在超磁致伸缩棒与驱动线圈之间增加相变温控装置，虽然能够在一定范围内克服电磁线圈的发热问题，但仍然具有上述指出的缺陷。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种外置多路电磁或多路电磁和永磁复合激励超强电磁场激励和无电磁线圈热胀影响的大负载、精密位移致动器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括刚性非导磁支架和设置在刚性非导磁支架内的磁致伸缩体，刚性非导磁支架的一侧或相对的两侧设有贯通口，贯通口内设置相对于贯通口可自由运动的刚性导磁棒，刚性导磁棒与磁致伸缩体固接；刚性非导磁支架外侧设有刚性导磁支架，刚性导磁支架的一侧边开口，其余侧边封闭；刚性导磁支架的周边缠绕电磁线圈；磁致伸缩体与刚性导磁棒、刚性导磁支架构成一个电磁通回路；刚性导磁棒相对于刚性导磁支架的开口侧边可自由运动；刚性非导磁支架、刚性导磁支架皆固定设置。

电磁通回路至少设置一个；致动器还包括至少一个永磁通回路，永磁通回路中包括永磁体，永磁体嵌入刚性导磁支架内，永磁体两极分别通过刚性导磁支架与刚性导磁棒、磁致伸缩体连接组成一个永磁通回路。由电磁通回路和永磁通回路组成的所有磁通回路以贯通口为中心，沿贯通口径向呈辐射状结构。刚性导磁棒的末端连接隔磁端块。致动器可根据激励磁场强度的需要，根据结构尺寸的需要采用一个或一个以上的电磁磁路体，可根据需要添加；同时致动器可根据永磁偏置需要采用一个或一个以上的永磁磁路体，根据需要添加；但是，如果不需要永磁致偏置，则可不需要永磁磁路体。电磁通回路中，磁致伸缩体两端分别通过刚性导磁棒连接刚性导磁支架，可使电磁线圈产生的磁场被导入磁致伸缩物体；永磁通回路中，磁致伸缩体两端分别通过刚性导磁棒连接刚性导磁支架，可使永磁体产生的磁场被导入磁致伸缩物体。

致动器中磁致伸缩体为一种在磁场励磁作用下可产生伸缩行为的物体，磁致伸缩体可采用磁致形状记忆合金、磁致伸缩材料棒、磁流变液体等。

刚性导磁棒与刚性非导磁支架接触的一侧或两侧设置弹性体，弹性体通常采用弹簧等具有弹性的物体；与弹性体连接的刚性非导磁支架的位置设有螺栓盖，螺栓盖调节弹性体的压缩量，实现磁致伸缩体的压紧和位置固定。

根据磁致伸缩类智能材料的磁致激励应变机理，即对于磁致伸缩材料体，当外加电磁场、或永磁场或电磁和永磁复合激励磁场作用时，磁致伸缩材料体将产生在外磁场加载方向上的伸缩位移(如巨磁致伸缩材料)，或产生在垂直外磁场加载方向上的伸缩位移(如磁致形状记忆合金)。据此，当外部电磁线圈或永磁体所产生励磁场可以被磁路导入磁致伸缩体中时，磁致伸缩体将产生磁致伸缩变形，即产生磁致伸缩位移。当磁致伸缩体在被当外部电磁线圈产生的永磁场或被外部永磁体磁场或被外部电磁线圈产生的永磁场和外部永磁体磁场同时激励前后产生了变形，该变形以伸长位移的方式由刚性导磁棒和隔磁端块传递出去，并最终推动负载。

该致动器可以实现大电流强磁场，多路复合的大电流强磁场以及电磁场和永磁场复合磁场的激励，并且电磁激励线圈发热对磁致伸缩材料不产生直接负效应。本发明特别适用于有小尺寸、强磁场、大位移、大负载和避免温升影响要求的精密驱动、定位领域的器件研发。

电磁磁路体导磁材料杆和永磁磁路体导磁材料杆的形状即磁路形状可以根据实际结构环境需要而改动，只要能将电磁和/或永磁励磁场导入磁致伸缩体中即可。

与现有技术相比，本致动器具有以下优点：

1.可实现线圈置于致动器外部的无电磁热影响的磁致伸缩驱动；

2.可实现多路电磁场叠加复合激励，可以实现多路磁场叠加的超强磁场激励，进而容易实现超强励磁场作用下的大伸缩位移和大负载致动能力；

3.容易实现电磁场和永磁场复合激励，永磁场作用同时实现了预磁偏置，使致动器可以产生无倍频的伸长和收缩的效果；同时也可以通过永磁磁场强度的调节，使磁致伸缩体在其伸缩的线性工作区致动，使致动器具有良好的线性驱动性能；

4.由于可采用多路电磁场激励，对于本来由单个线圈产生的磁场，可由多路电磁线圈叠加产生，这样对于每一路线圈的设计要求，如整体尺寸、线径以及缠绕方式都可降低要求，使致动器的电磁线圈的设计和加工相对容易；

5.由于电磁线圈被置于致动器框架(壳体)外部，所以致动器框架(壳体)内部的体积可以设计和制作的结构更紧凑，尺寸更小；外部电磁环节还可以全部置于了冷却介质中，实现超大电流，减小热损；

6.由于可以实现多个电磁线圈的交替励磁驱动，所以可以缓解致动器高频激励情况下的电磁线圈的电感负效应以及电磁线圈热损耗；

7.由于可以采用多个电磁线圈驱动，所以致动器的驱动性能，如位移精度，驱动位移的大小，驱动力的大小可以通过多个线圈的复合控制信号共同完成；如一路磁激励信号用于激励致动器产生伸缩，而另一路电磁信号专门作用于控制致动器在产生伸缩过程中的磁滞回现象；这使得一些致动器精确控制容易实现。

本发明的机构可用于研制要求产生大位移、大负载、高精度驱动功能的仪器和设备，以及对现有磁致伸缩驱动设备、仪器的改进，可广泛应用于致动器、制动器、电机、振动及控制设备、机器人、精密制造、生物医学工程等领域。

附图说明

图1为致动器俯视示意图；

图2为致动器实施例1的示意图；

图3为致动器实施例1的工作状态示意图；

图4为致动器实施例2的示意图；

图5为致动器实施例3的示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1、2、3所示，本发明机构包括刚性非导磁支架2和设置在刚性非导磁支架2内的磁致伸缩体1，刚性非导磁支架2的相对的两侧设有贯通口，贯通口内设置相对于贯通口可自由运动的刚性导磁棒3，刚性导磁棒3与磁致伸缩体1固接；刚性非导磁支架2外侧设有刚性导磁支架8，刚性导磁支架8的一侧边开口，其余侧边封闭；刚性导磁支架8的周边缠绕电磁线圈6；磁致伸缩体1与刚性导磁棒3、刚性导磁支架8构成一个电磁通回路10，电磁通回路10设置五个。刚性导磁棒3相对于刚性导磁支架的开口侧边可自由运动；刚性非导磁支架2、刚性导磁支架8皆固定设置。

刚性导磁棒3与刚性非导磁支架2接触的两侧设置弹簧4，与弹簧4连接的1刚性非导磁支架的位置设有螺栓盖5，螺栓盖5调节弹簧4的压缩量，实现磁致伸缩体1的压紧和位置固定。致动器还包括两个永磁通回路11，永磁通回路11中包括永磁体7，永磁体7嵌入刚性导磁支架8内，永磁体7两极分别通过刚性导磁支架8与刚性导磁棒3、磁致伸缩体1连接组成一个永磁通回路11。由电磁通回路10和永磁通回路11组成的所有磁通回路以贯通口为中心，沿贯通口径向呈辐射状结构，如图1所示。刚性导磁棒3的末端连接隔磁端块9。

磁致伸缩体1采用巨磁致伸缩材料棒。工作时，对一个电磁线圈6通入电流，产生磁场，该磁场经由刚性导磁支架8、刚性导磁棒3后导入磁致伸缩体1，此时，磁致伸缩体1励磁。由于磁致伸缩材料特性，磁致伸缩体1受磁场激励后将沿导入磁场方向产生伸长变形。当电磁线圈6产生的电磁场强度足够大时，其伸长变形力大于弹簧4在磁致伸缩体1两端施加的压力，产生变形将由位于磁致伸缩体1两端的刚性导磁棒3向外传递，弹簧4被压缩，同时带动与刚性导磁棒3连接的隔磁端块9，最终推动与隔磁端块9连接的负载产生向外伸长的动作。

当电磁激励撤销，磁致伸缩体1不再励磁而收缩，同时在弹簧4的回复压力作用下，随磁致伸缩体1的收缩，带动刚性导磁棒3，进而带动最外端的负载产生向里拉即缩短的动作。至此，通过对电磁线圈6通断电流，使致动器产生伸缩致动功能；并且该伸缩致动的位移和输出力的大小可以通过控制电磁线圈6中加载电流强度的大小进行精确控制。

为了提高磁致伸缩体1的电磁驱动效率，使磁致伸缩体1在其伸缩线性区工作，同时解决磁致伸缩体1伸长倍频问题，磁致伸缩体1需要施加永磁场偏置。工作时，永磁通回路11的永磁体7产生永磁场经由与永磁体7串接的刚性导磁支架8、刚性导磁棒3后导入磁致伸缩体1，此时，磁致伸缩体1被永磁场励磁。由于磁致伸缩材料特性，磁致伸缩体1受永磁场激励后将沿导入永磁场方向产生伸长变形。此时，利用电磁线圈6产生电磁场，如前所述，该电磁场也对磁致伸缩体1进行激励，产生伸长；但是，如果此时施加的电磁场方向与永磁场方向相同，那么磁致伸缩体1复合励磁强度增加，则磁致伸缩体1在永磁磁场激励伸长的基础上进一步伸长；如果此时施加的电磁场方向与永磁场方向相反，那么磁致伸缩体1的复合励磁强度减小，则磁致伸缩体1在永磁磁场激励伸长的基础上缩短，该伸长或缩短动作，如前述动作过程，将最终推动或拖动外部负载产生伸缩动作。至此，通过对电磁线圈6通断电流并复合永磁体7磁场共同作用，使致动器产生伸缩致动功能；并且该伸缩致动的位移和输出力的大小可以通过控制电磁线圈6中加载电流强度的大小和永磁体的体积(永磁体的磁场强度与其体积成正比)进行精确控制。

由于电磁线圈6位于刚性非导磁支架2外，不直接包裹磁致伸缩体1，所以电磁线圈6所产生的热并不直接影响磁致伸缩体1，使磁致伸缩体1不受电磁线圈6产生的热量导致的热胀影响，从而使整个致动器的伸缩致动位移更精确。并且，由于永磁体7位于刚性非导磁支架2外，致动体壳体内部体积小，机构简单，永磁体7也不影响电磁体磁路的导通效率，漏磁少，致动器整体驱动效率高。

如图1所示，并结合上述致动器被驱动产生伸缩动作的过程，如果单个电磁线圈6或单个电磁线圈6和永磁体7复合的电磁效率低，如电磁发热、加载电流强度有限，单个线圈的尺寸受限，电磁场强度不够、永磁偏置强度不足等，则可以采用一个以上的电磁磁路体或采用一个以上的电磁磁路体和永磁磁路体同时工作。此种情况下，多路磁路体共同作用时，可产生超强或复合超强的磁致伸缩体1的励磁磁场，使致动器产生大变形和大输出力。相对于单路磁路体激励情形产生的同强度励磁场，多路磁路体的每一个电磁线圈6可以只通过小电流激励，线圈线径也可以较细，体积较小，热损少，同时，用于为多路激励。所以可以对不同的磁路上的的电磁线圈6通入不同的电流，以实现多路组合式电流驱动控制，有益于控制解决磁致伸缩体1的伸缩非线性问题。由于所有电磁线圈6均位于刚性非导磁支架2外，不直接接触磁致伸缩体1，所以电磁线圈6产生的热不直接影响磁致伸缩体1产生热胀，致动精度高。该种多路复合情形的致动器易于产生超强磁场激励的超大磁致伸缩应变及超大负载致动性能。

实施例2

如图4所示，本发明机构包括刚性非导磁支架2和设置在刚性非导磁支架2内的磁致伸缩体1，刚性非导磁支架2的一侧设有贯通口，贯通口内设置相对于贯通口可自由运动的刚性导磁棒3，刚性导磁棒3与磁致伸缩体1固接；刚性非导磁支架2外侧设有刚性导磁支架8，刚性导磁支架8的一侧边开口，其余侧边封闭；刚性非导磁支架2上与贯通口相对的一侧设有开口，刚性导磁支架8贯穿开口后与磁致伸缩体1直接连接。刚性导磁支架8的周边缠绕电磁线圈6；磁致伸缩体1与刚性导磁棒3、刚性导磁支架8构成一个电磁通回路10，电磁通回路10可两两相对设置，所有的电磁通回路10皆为以磁致伸缩体1为圆心成辐射状结构；也可以只设置两个相对的电磁通回路10。刚性导磁棒3相对于刚性导磁支架的开口侧边可自由运动；刚性非导磁支架2、刚性导磁支架8皆固定设置。

刚性导磁棒3与刚性非导磁支架2接触的一侧设置弹簧4，与弹簧4连接的刚性非导磁支架的位置设有螺栓盖5，螺栓盖5调节弹簧4的压缩量，实现磁致伸缩体1的压紧和位置固定。所有的电磁通回路10为以磁致伸缩体1为圆心成辐射状结构。刚性导磁棒3的末端连接隔磁端块9。

实施例3

如图5所示，本发明机构包括刚性非导磁支架2和设置在刚性非导磁支架2内的磁致伸缩体1，刚性非导磁支架2的相对的两侧设有贯通口，贯通口内设置相对于贯通口可自由运动的刚性导磁棒3，刚性导磁棒3与磁致伸缩体1固接；刚性非导磁支架2外侧设有刚性导磁支架8，刚性导磁支架8的一侧边开口，其余侧边封闭；刚性导磁支架8的周边缠绕电磁线圈6；磁致伸缩体1与刚性导磁棒3、刚性导磁支架8构成一个电磁通回路10，单一的电磁通回路10对磁致伸缩体1励磁。刚性导磁棒3相对于刚性导磁支架的开口侧边可自由运动；刚性非导磁支架2、刚性导磁支架8皆固定设置。

刚性导磁棒3与刚性非导磁支架2接触的两侧设置弹簧4，与弹簧4连接的刚性非导磁支架的位置设有螺栓盖5，螺栓盖5调节弹簧4的压缩量，实现磁致伸缩体1的压紧和位置固定。刚性导磁棒3的末端连接隔磁端块9。

Claims (9)

1.一种磁致伸缩体致动器，其特征在于包括刚性非导磁支架和设置在刚性非导磁支架内的磁致伸缩体，刚性非导磁支架的一侧或相对的两侧设有贯通口，贯通口内设置相对于贯通口可自由运动的刚性导磁棒，刚性导磁棒与磁致伸缩体固接；刚性非导磁支架外侧设有刚性导磁支架，刚性导磁支架的一侧边开口，其余侧边封闭；刚性导磁支架的周边缠绕电磁线圈；磁致伸缩体与刚性导磁棒、刚性导磁支架构成一个电磁通回路；刚性导磁棒相对于刚性导磁支架的开口侧边可自由运动；刚性非导磁支架、刚性导磁支架皆固定设置。

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩体致动器，其特征在于电磁通回路至少设置一个。

3.根据权利要求1所述的磁致伸缩体致动器，其特征在于致动器还包括至少一个永磁通回路，永磁通回路中包括永磁体，永磁体嵌入刚性导磁支架内，永磁体两极分别通过刚性导磁支架与刚性导磁棒、磁致伸缩体连接组成一个永磁通回路。

4.根据权利要求2或3所述的磁致伸缩体致动器，其特征在于由电磁通回路和永磁通回路组成的所有磁通回路以贯通口为中心，沿贯通口径向呈辐射状结构。

5.根据权利要求1所述的磁致伸缩体致动器，其特征在于刚性导磁棒与刚性非导磁支架接触的一侧或两侧设置弹性体。

6.根据权利要求7所述的磁致伸缩体致动器，其特征在于弹性体为弹簧。

7.根据权利要求7或8所述的磁致伸缩体致动器，其特征在于与弹性体连接的刚性非导磁支架的位置设有螺栓盖，螺栓盖调节弹性体的压缩量，实现磁致伸缩体的压紧和位置固定。

8.根据权利要求1所述的磁致伸缩体致动器，其特征在于刚性导磁棒的末端连接隔磁端块。

9.根据权利要求1所述的磁致伸缩体致动器，其特征在于磁致伸缩体采用磁致形状记忆合金、磁致伸缩材料棒、磁流变液体。

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