CN102274823B

CN102274823B - 超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件

Info

Publication number: CN102274823B
Application number: CN 201110234410
Authority: CN
Inventors: 曾海泉
Original assignee: Xiamen University of Technology
Current assignee: Xiamen University of Technology
Priority date: 2011-08-16
Filing date: 2011-08-16
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2031-08-16
Also published as: CN102274823A

Abstract

本发明公开了一种超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件，主要由上端面、下端面、上聚磁片、下聚磁片、芯轴部件和导磁套构成；该芯轴部件为筒状体，其和上下端面固定形成线圈骨架，在芯轴部件之外缠绕有线圈，在芯轴部件中间孔内放置有超磁致伸缩棒；该上下端面由若干片硅钢片叠成，在每片硅钢片上沿径向开设一绝缘槽；该上下聚磁片设置于超磁致伸缩棒的上下两端；所述导磁套固定在上述上下端面之间。本发明采用了硅钢片来制造线圈主要导磁元件，由于硅钢片厚度很小，表面又涂有绝缘层，加工中在每一片硅钢片上又开了绝缘槽，完全能防止涡流，减小损耗与发热；同时，由硅钢片组成的导磁元件还有导磁能力强，机械强度高，加工方便，成本低等特点。

Description

超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件

技术领域

本发明涉及一种功率超声的技术领域，尤指一种超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件。

背景技术

功率超声在各个工程领域得到广泛的应用。与传统的功率超声换能器驱动材料相比，超磁致伸缩材料具有伸缩应变大、能量密度大、响应速度快和工作电压低等特点，可以克服换能器功率做不大的问题，开始在功率超声换能器中得到应用。驱动线圈是超磁致伸缩功率超声换能器中的重要部件，它产生交变的磁场，驱动超磁致伸缩材料的伸长和缩短，从而产生超声振动。但由于换能器在高频率磁场下工作，容易产生涡流；同时，涡流、磁滞等损耗加在一起发热很大，而超磁致伸缩材料对温度又很敏感。所以，线圈组件的设计除了必须能产生必要的磁场外，一要考虑尽可能减少涡流，减少涡流损耗热量的产生，二要让产生的热量尽快散发，以免造成过大的温升。

美国专利US6624539也涉及一种超磁致伸缩功率超声换能器，该专利为了解决涡流问题，线圈骨架的主要导磁元件采用粉末冶金导磁材料构成，这类材料具有导磁能力强，涡流小的特点，可以减少涡流损耗热量的产生，但其制造过程复杂，必须花很多钱先做专门的模具，成本很高，而且粉末冶金材料比较脆，机械性能较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件，它能按要求产生强大而均匀的磁场，又能减少涡流，减小发热，控制温度。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件，主要由上端面、下端面、上聚磁片、下聚磁片、芯轴部件和导磁套构成；该芯轴部件为筒状体，其和上、下端面固定形成线圈骨架，在芯轴部件之外缠绕有线圈，在芯轴部件中间孔内放置有超磁致伸缩棒；所述上下端面由若干片硅钢片叠成，在每片硅钢片上沿径向开设一绝缘槽；所述上下聚磁片设置于超磁致伸缩棒的上下两端；所述导磁套固定在上述上下端面之间。

所述上下端面的各硅钢片在叠加时各片的绝缘槽错开放置。

所述导磁套由矩形的硅钢片卷成若干层呈圆筒状。

所述芯轴部件的侧壁内部设置有冷却水道，下方设有两个用于冷却水进出的水管。

所述的芯轴部件由内套及外套组合而成，两者之间形成冷却水道，冷却水道下方设有两个用于冷却水进出的水管。

所述的内套由不导磁、不导电但导热的材料制造。

所述内套由氮化硼或氮化硅制成。

所述外套采用不导磁、不导电也不导热的材料制造。

所述外套由ABS工程塑料或尼龙制成。

所述内外套之间的冷却水道之间还设置一隔板。

所述线圈的轴向长度比超磁致伸缩棒长。

所述的导磁套由若干导磁条组成，各导磁条再通过绝缘胶粘接呈圆筒状。

导磁条由电工纯铁制成。

采用上述方案后，由于本发明采用硅钢片来制造主要导磁元件，硅钢片厚度很小，表面又涂有绝缘层，加工中在每一片硅钢片上又沿径向开了绝缘槽，完全能防止涡流，减小涡流损耗与发热；同时，由硅钢片组成的导磁元件还有导磁能力强，机械强度高，加工方便，成本低等特点。

此外，本发明又在芯轴部件内设置了冷却水道，内套由不导磁不导电但导热的氮化硼制造，从而，超磁致伸缩棒的磁滞损耗发热能迅速被冷却水带走，同时，由不导磁不导电不导热的工程塑料制造的外套挡住了来自线圈的发热，避免其对超磁致伸缩棒产生影响，这样就保证了超磁致伸缩棒能在适合的温度下工作。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明所述下端面其中一片硅钢片的结构示意图；

图3A是本发明所述芯轴部件沿轴线的剖视图；

图3B是本发明所述芯轴部件垂直于轴线的截面图；

图4是本发明通电后磁力线走向的示意图；

图5A、图5B是本发明所述导磁套另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

本发明所揭示的是一种超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件，如图1所示，为本发明的较佳实施例。所述的线圈组件主要由上端面1、下端面7、上聚磁片4、下聚磁片9、芯轴部件3和导磁套6构成，该芯轴部件3为筒状体，其和上、下端面1、7之间可以通过螺栓8固定形成线圈骨架，在芯轴部件3之外缠绕有线圈2，在芯轴部件3中间孔内放置有超磁致伸缩棒5。

所述的上、下端面1、7由若干片硅钢片叠成，每片硅钢片的厚度可以在0.3mm左右，也可以为0.2、0.23、0.27、0.3、0.35或0.5mm等多种规格，该硅钢片可以加工成图2所示形状（图2以下端面7的其中一片硅钢片加以说明），在硅钢片上沿径向开设一绝缘槽71，该绝缘槽71一般由线切割加工而成，其宽度通常为0.2mm左右。设置了绝缘槽可以防止沿圆周方向产生涡流。各硅钢片在叠加时，尽可能将各片的绝缘槽错开，以免削弱上下端面的强度。各硅钢片上还可开有相应的孔（如螺柱孔72及水管孔73），用于固定螺栓8及穿设下述芯轴部件3上的冷却水管。所述上端面1的形状与下端面7相似，也开设有绝缘槽及相应的孔（通常仅有螺柱孔），不予图示。采用叠置的若干硅钢片构成上下端面后，可以防止端面厚度方向的涡流，设置了绝缘槽后又可以防止沿圆周方向的涡流，因此上述措施可确保端面上的涡流基本消除。

所述的上、下聚磁片4、9设置于超磁致伸缩棒5上下两端，其用于收集磁力线，均化通过超磁致伸缩棒的磁场，该上、下聚磁片4、9可以由电工纯铁等导磁材料制造。

所述芯轴部件3的结构如图3A及图3B所示，其为筒状体，其侧壁内部可以设置有冷却水道31，下方设有两个水管32用于冷却水的进出。所述的芯轴部件3可由内套33及外套34组合而成，两者之间形成所述的冷却水道31，两构件之间用胶粘剂粘接并密封，保证不漏水。另外，所述的内套33可以由不导磁、不导电但导热的材料制造，例如：氮化硼、氮化硅等，采用这种材料既不会产生涡流，又不会影响磁场分布，还能带走超磁致伸缩棒5产生的磁滞损耗热量，同时，氮化硼具有润滑作用，它直接和超磁致伸缩棒5接触，能够在接触表面上形成润滑，减少摩擦。所述的外套34可以采用不导磁、不导电也不导热的材料制造，例如ABS工程塑料或其他工程塑料（如尼龙等），该外套34既为线圈提供了支撑作用，也借助于其不良的导热性，挡住了来自线圈的发热，避免该热量对超磁致伸缩棒5产生影响。所述内外套33、34之间的冷却水道31之间还可以设置一隔板35，该隔板35将两个水管32（即冷却水进出水口）分开，且该隔板35也可用与外套34一样的材料如ABS工程塑料制造。

所述的导磁套6由矩形的硅钢片卷成若干层呈圆筒状，固定在所述上、下端面1、7之间，构成外磁路，采用硅钢片制成的导磁套也能防止涡流。该导磁套6也可以采用其他导磁材料制成，例如：粉末冶金导磁材料等等。再如图5A及图5B所示，所述的导磁套6＇也可以由若干导磁条61＇组成，各导磁条61＇再通过绝缘胶62＇粘接呈圆筒状，该导磁条61＇可由电工纯铁制成。实际制作时，可用电工纯铁做成整体导磁套，然后沿半径竖向切成厚度2毫米左右的导磁条，最后用绝缘胶粘接回整体形状。

此外，为了尽可能的使超磁致伸缩棒5处于均匀的强磁场，所述线圈2的轴向长度最好比超磁致伸缩棒5稍长。理论上的讲，线圈的长度比超磁致伸缩棒长的越多，磁场越均匀，但因为空间的限制，线圈的轴向高度也不能太大，一般两头比超磁致伸缩棒5各长5毫米左右。

将导线规则地缠绕在芯轴部件3的外套34上，即形成驱动线圈2。当线圈2中通入电流时，在线圈周围形成磁场，线圈的上端面1、下端面7、上聚磁片4、下聚磁片9、导磁套6和超磁致伸缩棒5构成封闭磁路，磁力线走向如图4所示，经过超磁致伸缩棒5的磁力线既均匀又密集，磁场强度达到了预期效果，同时，由于所述上下端面1、7、导磁套6均由硅钢片制造，防止了涡流的产生，减少了发热。工作时，经过水管32通入冷却水，由于芯轴内套33由导热性能良好的材料如氮化硼制造，超磁致伸缩棒5的磁滞损耗发热能迅速被冷却水带走，同时，由工程塑料制造的外套34挡住了来自线圈2的发热，避免其对超磁致伸缩棒5产生影响，这样就保证了超磁致伸缩棒5能在适合的温度下工作。

理论计算和实验测量均表明，本线圈组件产生的磁场满足预期的磁场强度和均匀性要求，同时还能大大地降低涡流现象，减少热量产生，及时散发热量，使得超磁致伸缩棒的工作温度保持在60℃以下。

Claims

1.一种超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件，其特征在于：该线圈组件主要由上端面、下端面、上聚磁片、下聚磁片、芯轴部件和导磁套构成；该芯轴部件为筒状体，其和上、下端面固定形成线圈骨架，在芯轴部件之外缠绕有线圈，在芯轴部件中间孔内放置有超磁致伸缩棒；所述上下端面由若干片硅钢片叠成，在每片硅钢片上沿径向开设一绝缘槽；所述上下聚磁片设置于超磁致伸缩棒的上下两端；所述导磁套固定在上述上下端面之间。

2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件，其特征在于：所述上下端面的各硅钢片在叠加时各片的绝缘槽错开放置。

3.根据权利要求1所述的超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件，其特征在于：所述导磁套由矩形的硅钢片卷成若干层呈圆筒状。

4.根据权利要求1所述的超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件，其特征在于：所述芯轴部件的侧壁内部设置有冷却水道，下方设有两个用于冷却水进出的水管。

5.根据权利要求1所述的超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件，其特征在于：所述的芯轴部件由内套及外套组合而成，两者之间形成冷却水道，冷却水道下方设有两个用于冷却水进出的水管。

6.根据权利要求5所述的超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件，其特征在于：所述的内套由不导磁、不导电但导热的材料制造。

7.根据权利要求5所述的超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件，其特征在于：所述外套采用不导磁、不导电也不导热的材料制造。

8.根据权利要求1所述的超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件，其特征在于：所述线圈的轴向长度比超磁致伸缩棒长。

9.根据权利要求1所述的超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件，所述的导磁套由若干导磁条组成，各导磁条再通过绝缘胶粘接呈圆筒状。

10.根据权利要求9所述的超磁致伸缩功率超声换能器线圈组件，其特征在于：所述导磁条由电工纯铁制成。