CN102437784A - 一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，包括具有封闭结构的套筒，以及紧固配合设置在所述套筒中的磁路机构、驱动机构、预压机构与传感器组件；其中，所述磁路机构套装在套筒的内部，所述驱动机构套装在磁路机构的内部，所述预压机构设置在套筒与磁路机构之间、并伸出套筒。本发明所述基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，可以克服现有技术中功能单一、结构复杂与磁场均匀度低等缺陷，以实现功能多样、结构简单与磁场均匀度高的优点。

Description

一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器

技术领域

本发明涉及磁弹性材料的应用技术，具体地，涉及一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器。

背景技术

随着先进制造技术和微电子技术的发展，在多学科交叉的高技术微电子机械领域，以磁弹性材料为基础的智能材料应用越来越受到广泛重视。

超磁致伸缩材料作为一种新型的磁弹性功能材料，能够有效地实现电能与机械能的相互转换，在磁场和机械载荷作用下，具有应变值大、输出力大、机电转换效率高、能量密度大、响应速度快等特点在国防、民用领域得到了广泛的应用。

目前，基于磁弹性材料的驱动器在应用研究上取得的很大的进步，但是，从可实现的功能看，都过于单一，不能较为全面地集多种功能为一体。例如，不能实现在动静态时应变的变化特性的测试与驱动器工作时内部磁信号的测量等。

同时，上述基于磁弹性材料的驱动器在设计时也有部分的不足。例如，从驱动线圈看，驱动线圈的线圈输出能力会受到所选导线的限制，且其体积会根据产生磁场的要求而不同，体积与性能不一；偏置磁场的实现，大多采用永磁体施加，虽然可以避免电流发热，但其磁场设计复杂，且不能改变偏置磁场的大小，应用受到了限制；预应力装置在驱动器中有弹簧或者碟形弹簧的选择，两者的特性有很大的差异，最优化比较，碟形弹簧的应用更能适应于驱动的恒定压力的加载；对于磁路的优化，由于超磁致伸缩材料磁导率低，易产生漏磁，因而一般在闭合磁路条件下工作，且需要磁场均匀度较高，对导磁材料的选择会因材料磁导率的不同而影响磁路特性，因此对于导磁材料的选择也会对磁路有差异。

综上所述，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下缺陷：

(1)功能单一：现有技术中基于磁弹性材料的驱动器不能较为全面地集多种功能为一体；

(2)结构复杂：偏置磁场的结构复杂，且不能改变偏置磁场的大小，应用受限；

(3)磁场均匀度低：对于磁路的优化，由于超磁致伸缩材料磁导率低，易产生漏磁，影响磁场均匀度。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，以实现功能多样、结构简单与磁场均匀度高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，包括具有封闭结构的套筒，以及紧固配合设置在所述套筒中的磁路机构、驱动机构、预压机构与传感器组件；其中，所述磁路机构套装在套筒的内部，所述驱动机构套装在磁路机构的内部，所述预压机构设置在套筒与磁路机构之间、并伸出套筒。

进一步地，所述套筒包括封装设置的套筒上盖、套筒侧壁与套筒底座，其中：所述套筒侧壁垂直放置，套筒上盖水平设置在套筒侧壁上方，套筒底座水平设置在套筒侧壁下方；在所述套筒上盖的中心位置开设有输出孔，在套筒底座的中部设有凹槽，在凹槽的中心位置开设有预紧孔。

进一步地，所述磁路机构包括超磁致伸缩材料，轴向对称设置在所述超磁致伸缩材料上下两端的上端轴向导磁体与下端轴向导磁体，横向对称设置在所述超磁致伸缩材料左右两端的第一横向导磁组件与第二横向导磁组件；所述上端轴向导磁体与下端轴向导磁体的结构相同，第一横向导磁组件与第二横向导磁组件的结构相同。

进一步地，所述预压机构包括位于上端轴向导磁体的上方、且伸出套筒的输出导杆，位于下端轴向导磁体的下方、且未伸出套筒的下端顶杆，设置在所述输出导杆与套筒之间的碟形弹簧，设置在所述下端顶杆的底部、设有未伸出套筒的预压螺塞。

进一步地，所述第一横向导磁组件包括靠近套筒与输出导杆、且水平设置的上端横向导磁体，靠近套筒与下端顶杆、且水平设置的下端横向导磁体，以及靠近套筒、且竖直设置在上端横向导磁体与下端横向导磁体之间的导磁壁。

进一步地，所述驱动机构包括分别与第一横向导磁组件及第二横向导磁组件配合、且轴向对称设置在超磁致伸缩材料的左右两端的第一驱动组件与第二驱动组件，所述第一驱动组件与第二驱动组件的结构相同。

进一步地，所述第一驱动组件包括靠近上端横向导磁体、轴向导磁组件与下端横向导磁体设置的“匚”型胶木线圈骨架，配合缠绕在所述“匚”型胶木线圈骨架上的驱动线圈，以及与所述驱动线圈连接的连接导线；所述连接导线伸出套筒。

进一步地，所述传感器组件包括设置在第一驱动组件的“匚”型胶木线圈骨架、与超磁致伸缩材料及下端轴向导磁体之间的磁场霍尔传感器与温度传感器，设置在下端轴向导磁体与下端顶杆之间的薄膜压力传感器，设置在超磁致伸缩材料内部的应变测量传感器，设置在上端轴向导磁体上方的位移传感器，以及分别与磁场霍尔传感器、温度传感器、薄膜压力传感器、应变测量传感器及位移传感器连接的屏蔽导线；所述屏蔽导线伸出套筒。

进一步地，在所述超磁致伸缩材料上，缠绕有多匝同轴磁感应强度测试线圈。

进一步地，所述输出导杆包括轴向设置的竖梁，以及横向对称设置在竖梁两侧的左横梁与右横梁；所述下端顶杆包括轴向设置的竖梁，以及横向对称设置在竖梁两侧的左横梁与右横梁；所述输出导杆的竖梁伸出输出孔；下端顶杆的左横梁与右横梁位于套筒底座的凹槽中，下端顶杆的竖梁底端及预压螺塞位于预紧孔中。

本发明各实施例的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，由于包括具有封闭结构的套筒，以及紧固配合设置在所述套筒中的磁路机构、驱动机构、预压机构与传感器组件；其中，磁路机构套装在套筒的内部，驱动机构套装在磁路机构的内部，预压机构设置在套筒与磁路机构之间、并伸出套筒；磁路机构可以产生闭合磁路，驱动机构通过控制激励电流和直流电流可以产生激励磁场和偏置磁场；从而可以克服现有技术中功能单一、结构复杂与磁场均匀度低的缺陷，以实现功能多样、结构简单与磁场均匀度高的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明基于磁弹性材料的电磁式微驱动器的结构示意图；

图2为根据本发明基于磁弹性材料的电磁式微驱动器中传感器组件的装配与功能示意图；

图3为根据本发明基于磁弹性材料的电磁式微驱动器的工作原理示意图；

图4a为未加载偏置磁场时超磁致伸缩材料的产生机械运动的倍频曲线示意图；

图4b为加载偏置磁场时超磁致伸缩材料的产生机械运动的倍频曲线示意图；

图5a为常规弹簧的力与位移特性曲线示意图；

图5b为碟形弹簧的力与位移特性曲线示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-输出导杆；2-碟形弹簧；3-上端横向导磁体；4-导磁壁；5-驱动线圈；6-屏蔽0导线；7-下端横向导磁体；8-套筒底座；9-套筒上盖；10-套筒侧壁；11-上端轴向导磁体；12-“匚”型胶木线圈骨架；13-超磁致伸缩材料；14-下端轴向导磁体；15-下端顶杆；16-预压螺塞；17-薄膜压力传感器；18-磁场霍尔(hall)传感器和温度传感器；19-应变测量传感器；20-六匝同轴磁感应强度测试线圈；21-位移传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1-图5b，提供了一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器。

如图1-图3所示，本实施例包括具有封闭结构的套筒，以及紧固配合设置在套筒中的磁路机构、驱动机构、预压机构与传感器组件；其中，磁路机构套装在套筒的内部，驱动机构套装在磁路机构的内部，预压机构设置在套筒与磁路机构之间、并伸出套筒。

进一步地，在上述实施例中，套筒包括封装设置的套筒上盖9、套筒侧壁10与套筒底座8，其中，套筒侧壁10垂直放置，套筒上盖9水平设置在套筒侧壁10上方，套筒底座8水平设置在套筒侧壁10下方；在套筒上盖9的中心位置开设有输出孔，在套筒底座8的中部设有凹槽，在凹槽的中心位置开设有预紧孔。

在上述实施例中，磁路机构包括超磁致伸缩材料13，轴向对称设置在超磁致伸缩材料13上下两端的上端轴向导磁体11与下端轴向导磁体14，横向对称设置在超磁致伸缩材料13左右两端的第一横向导磁组件与第二横向导磁组件；上端轴向导磁体11与下端轴向导磁体14的结构相同，第一横向导磁组件与第二横向导磁组件的结构相同。这里，除超磁致伸缩材料13外，上端轴向导磁体11、下端轴向导磁体14、第一横向导磁组件与第二横向导磁组件均具有高磁导率材料材质，且可以构成一个闭合磁路；另外，在超磁致伸缩材料13上，可以缠绕有多匝同轴磁感应强度测试线圈(如多匝同轴磁感应强度测试线圈20)。

其中，第一横向导磁组件包括靠近套筒与输出导杆1、且水平设置的上端横向导磁体3，靠近套筒与下端顶杆15、且水平设置的下端横向导磁体7，以及靠近套筒、且竖直设置在上端横向导磁体3与下端横向导磁体7之间的导磁壁4。

在上述实施例中，预压机构包括位于上端轴向导磁体11的上方、且伸出套筒的输出导杆1，位于下端轴向导磁体14的下方、且未伸出套筒的下端顶杆15，设置在输出导杆1与套筒之间的碟形弹簧2，设置在下端顶杆15的底部、设有未伸出套筒的预压螺塞16。

具体地，输出导杆1包括轴向设置的竖梁，以及横向对称设置在竖梁两侧的左横梁与右横梁；下端顶杆15包括轴向设置的竖梁，以及横向对称设置在竖梁两侧的左横梁与右横梁；输出导杆1的竖梁伸出输出孔；下端顶杆15的左横梁与右横梁位于套筒底座8的凹槽中，下端顶杆15的竖梁底端及预压螺塞16位于预紧孔中。

在上述预压机构中，可以调节预压螺塞16使碟形弹簧2的输出应力通过输出导杆1传递给超磁致伸缩材料13。与目前大多数采用弹簧加压的方式相比，由于弹簧的伸缩产生一个线性变化的输出力(如图5a所示)，会随着其伸缩长度的变化而变化，从而使基于磁弹性材料的电磁式微驱动器在工作状态时，超磁致伸缩材料13会受到变化力的作用而不会保持在恒压状态，不能在恒压下工作；而碟形弹簧2不会有这个缺点，它在一定的形变量时，会有恒定的压力产生(如图5b所示)，虽然会对基于磁弹性材料的电磁式微驱动器的整体刚度产生影响，但由于超磁致伸缩材料13的刚度远大于碟形弹簧2的刚度，对基于磁弹性材料的电磁式微驱动器的整体性能影响较小。

在上述实施例中，驱动机构包括分别与第一横向导磁组件及第二横向导磁组件配合、且轴向对称设置在超磁致伸缩材料13的左右两端的第一驱动组件与第二驱动组件，第一驱动组件与第二驱动组件的结构相同。

其中，第一驱动组件包括靠近上端横向导磁体3、轴向导磁组件与下端横向导磁体7设置的“匚”型胶木线圈骨架12，配合缠绕在“匚”型胶木线圈骨架12上的驱动线圈5，以及与驱动线圈5连接的连接导线；连接导线伸出套筒。

具体地，上述驱动线圈5的设计原理如下：

基于磁弹性材料的电磁式微驱动器主要由激励磁场提供电能，激励磁场决定基于磁弹性材料的电磁式微驱动器输出的位移大小，需要设计体积小且驱动能力强的驱动线圈5。

首先估算驱动线圈5的厚度e与线圈总匝数N：

$e=R_1-R_2=\frac{\stackrel{\‾}{H}}{4\mathrm{\π}{n}_1{n}_{2}I}---\left(1\right)$

N＝Ln₁n₂e    (2)

$n_1=\frac{10}{k_{\mathrm{\η}}d},$ $n_2=\frac{10}{k_{\mathrm{\β}}d}$

线圈的外半径R₂和层数N^*：

R₂＝R₁+e+e_j(N^*-1)    (3)

N^*＝n₂e

根据磁路设计原理，空心多层螺线管线圈轴向磁场分布为：

$H_x=2\mathrm{\π}{n}_1{n}_{2}I\{(x+l)\ln \frac{R_2+{[R_2^2+{(x+l)}^2]}^{1/2}}{R_1+{[R_1^2+{(x+l)}^2]}^{1/2}}+(l-x)\ln \frac{R_2+{[R_2^2+{(l-x)}^2]}^{1/2}}{R_1+{[R_1^2+{(l-x)}^2]}^{1/2}}\}$

(4)

以上公式中，R₁、R₂为线圈的内、外半径，n₁、n₂为线圈单位长度上的匝数和单位厚度上的匝数，I为激励电流的有效值，

为磁场强度期望值，L为线圈的长度，k_η、k_β为线圈排绕系数和叠绕系数，一般k_η＝1.05、k_β＝1.15，e_j每层绝缘厚度，即铜导线外层绝缘厚度为0.05mm，l为线圈长度的一半，x为线圈轴线上与中点的距离，其数值随导线直径的不同有相应的取值，d为选用漆包线的直径。

由此，可以计算出螺线管中心空腔的磁场强度：

$H=\frac{\mathrm{NI}}{2(R_2-R_1)}\ln \frac{R_2+\sqrt{R_2^2+\frac{L^2}{4}}}{R_1+\sqrt{R_1^2+\frac{L^2}{4}}}---\left(5\right)$

由于螺线管中会通入不同频率、不同电流大小的交流电，电阻和感抗对交流电会引起阻碍，为此必须计算出整体线圈的总阻抗即电阻和感抗。

$R=\frac{{\mathrm{\ρ}}_T\mathrm{\π}(R_1+R_2)N}{S_d}---\left(6\right)$

$S_d=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}_n^2$

以上公式中S_d为导线的有效截面积，d_n为导线的有效直径，ρ_T＝0.0175为选用导线的电阻系数。

螺线管的自感系数可以采用毕奥-沙伐定理来计算，但由于螺线管内磁场的分布不是均匀的，特别是线圈两端，磁场值约为中心位置的一半，所以假设线圈内部磁场分布均匀，近似计算出的自感系数是比实际偏大的。其自感系数为：

$L_c=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}V}{L}---\left(7\right)$

感抗为：

X_L＝2πfL_c  (8)

总阻抗为：

$Z=\sqrt{R^2+X_L^2}---\left(9\right)$

以上公式中μ₀为真空磁导率，N为线圈总匝数，V为线圈体积，L为线圈总长度。

从而可以计算驱动线圈5工作时的工作电压和功率：

U_m＝IZ，P_m＝I²R  (10)

对于驱动线圈5的线圈骨架，选用胶木材料作为线圈骨架，它材料坚硬，外加条件对其影响较小，且为绝缘材料。

在上述实施例中，驱动线圈5可以由漆包线绕制在“匚”型胶木线圈骨架12上而成，通过控制驱动线圈5的激励电流和直流电流，可以产生激励磁场和偏置磁场。

具体地，磁场优化的方式如下：

基于磁弹性材料的电磁式微驱动器是由驱动线圈5通入交或直流电产生交或直流磁场而驱动产生微位移，设计好的驱动线圈5由于会在两端产生不均匀的情况，为了充分发挥超磁致伸缩材料13的特性，减小超磁致伸缩材料13内部应力分布的不均匀性，增大该基于磁弹性材料的电磁式微驱动器的输出位移以及机械能量的输出，应使磁场分布均匀，为此选用的超磁致伸缩材料13长度要小于驱动线圈5的轴向长度，在驱动线圈5中放置超磁致伸缩材料13后，分别在两端放置高磁导率材料，对驱动磁场的端部进行补偿，可有效地提高驱动磁场的轴向均匀度，均匀化误差为0.56％，同时超磁致伸缩材料13上磁场分布越均匀，就越能减少微驱动器输出中高次谐波分量。

具体地，偏置磁场的设计原理如下(如图4a与图4b所示)：

当无偏置磁场时，超磁致伸缩材料13产生机械运动的频率是所加电流频率的两倍，这是它特有的倍频现象。因此需要加一偏置磁场来消去倍频变为同频，使其机械运动在线性区间内。但对于在低磁场下具有较好的磁致伸缩特性的材料，可以利用材料的倍频特性设计器件。

这里，产生偏置磁场的方式主要有三种：采用永磁铁，采用独立的直流螺线管线圈，在激励电流上叠加直流偏置分量。采用永磁体可以产生稳定的偏置磁场，但偏置磁场的大小不能改变，且磁路设计比较复杂；采用独立直流螺线管调节方便，避免了外界电磁干扰，但相对体积大，不利于散热。采用激励电流上叠加直流做偏置分量，在加载初期首先通入直流，可以得到所需要的偏置磁场大小，驱动磁场的大小由输入驱动线圈5的电流和频率大小决定，从而提供交流加载，实现加载与驱动的同步响应。

在上述实施例中，传感器组件包括设置在第一驱动组件的“匚”型胶木线圈骨架12、与超磁致伸缩材料13及下端轴向导磁体14之间的磁场霍尔传感器与温度传感器18，设置在下端轴向导磁体14与下端顶杆15之间的薄膜压力传感器17，设置在超磁致伸缩材料13内部的应变测量传感器19，设置在上端轴向导磁体11上方的位移传感器21、以及分别与磁场霍尔传感器、温度传感器、薄膜压力传感器17、应变测量传感器19及位移传感器21连接的屏蔽导线6；屏蔽导线6伸出套筒。

这里，传感器组件内置在基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，由屏蔽导线6输出。传感器组件的类别及功能如图2所示，可以测试在准静态和动态下机械信号(材料应变、输出位移)、磁信号(磁场信号、磁感应强度)和温度变化(温度传感器)。通过调节预压螺塞16，结合薄膜压力传感器17，可以确定预压力的大小。

在上述基于磁弹性材料的电磁式微驱动器的驱动线圈中通入直流电和交流电，可以分别为超磁致伸缩材料提供交流磁场和偏置磁场，套筒上盖9、碟形弹簧2、输出导杆1和可调节的预压螺塞16等可以给超磁致伸缩材料施加预应力；同时在基于磁弹性材料的电磁式微驱动器内部置入薄膜压力传感器17、hall传感器和温度传感器18、超磁致伸缩材料上饶有数匝同轴线圈，以便实时对基于磁弹性材料的电磁式微驱动器内部预应力、激励磁场、内部环境温度和超磁致伸缩材料磁感应强度进行测试。从而超磁致伸缩材料在外加磁场和预加载荷的作用下产生应变和应力，宏观上显示为位移和力的输出，实现了磁能与机械能的转换，并基于材料的动态本构关系，进行动力控制。

在上述各实施例中，基于磁弹性材料的电磁式微驱动器的工作原理如图3所示，驱动线圈5通入激励电流，产生驱动磁场，从而驱动磁弹性材料(即超磁致伸缩材料13)发生伸缩变形，从微观上发生应变和应力；在宏观上，通过输出顶杆，对外产生位移。此外，在输入激励电流之前，施加适当的电流，产生所需的偏置磁场，以免在动态输出时产生倍频现象，也可以在无偏置磁场下工作，检测以该种材料设计倍频特性器件为目的的材料倍频特性；通过预压机构，调节底部预压螺塞16提供适当的预应力，提高磁致伸缩系数和机械输出性能；基于磁弹性材料的电磁式微驱动器内置的传感器组件可以测试不同驱动磁场频率、幅值和恒定预应力变化的时机械信号和磁信号。

上述各实施例的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，具有以下性能：

(1)准静态性能：即激励电流在由负向变为正向逐步由小变大通入驱动线圈5。可以测试驱动线圈5输入电流与输出位移和材料应变关系测试、驱动线圈5输入电流与磁场关系测试、预压力与输出位移和材料应变关系测试、基于磁弹性材料的电磁式微驱动器输入电流与位移非线性度和材料应变非线性关系测试、基于磁弹性材料的电磁式微驱动器输入电流与磁感应强度关系测。

(2)动态性能：由于超磁致伸缩材料13只对磁场的大小有关，而与磁场的方向无关，在交流加载时会出现倍频现象。当无偏置磁场时，超磁致伸缩材料13产生机械运动的频率是所加电流频率的两倍，该基于磁弹性材料的电磁式微驱动器方便的更换材料，可以检测在低磁场下具有较好磁致伸缩特性的材料用在设计倍频特性器件时的特性；当有偏置磁场时，即通过给驱动线圈5加载直流电流产生所需要的稳定的偏置磁场，再通过信号发生器与功率放大器为驱动线圈5通入不同幅值与频率的交流电，产生交流磁场，从而实现加载与驱动的同步响应。

动态时，在力、磁与热的复杂环境下，可以测试在有偏置磁场、不同预应力时，不同频率下输入电流与驱动磁场、输出位移、材料动态应变、材料磁感应强度及材料温度变化的关系，同频率不同幅值下输入电流与输出位移、材料动态应变、材料磁感应强度及温度变化的关系；在无偏置磁场、不同预应力下时，不同频率下输入电流与驱动磁场、输出位移、材料动态应变、磁感应强度及温度变化的关系，同频率下时输入电流与输出位移、材料动态应变、磁感应强度及温度变化的关系。

(3)动力学控制应用：由于超磁致伸缩材料13具有复杂的力磁耦合特性，在磁场作用下其磁致伸缩曲线是非线性的，最终还有饱和现象，并且在不同的预应力下其磁致伸缩曲线明显不同，即力学本构关系行为的强非线性。该基于磁弹性材料的电磁式微驱动器是基于非线性的磁弹性耦合理论来进行以超磁致伸缩材料13为核心的动力学控制实验研究，能够开展复杂环境下即力、磁与热多场耦合的非线性动力控制实验研究，为研究此类材料的实际应用提供良好的实验平台。

可见，上述基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，能够在力、磁与热多场耦合的复杂环境下研究磁弹性材料特性与驱动器输出特性，主要有以下几个方面的功能应用：一是对于驱动条件是准静态时，材料和器件在力、磁与热复杂环境下的静态特性研究；二是对于驱动条件是动态时，即动态特性研究，可以实现多场环境下在常频率与常幅值激励、变频率与变幅值情形下的材料特性动态实验研究；三是基于磁弹性材料的电磁式微驱动器的整体应用研究，即整体系统的力、磁与热多场耦合的非线性动力控制研究，可以为基础理论研究与实验研究相结合提供新的结合平台，能够进一步研究磁弹性材料的应用。

上述各实施例的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，主要是基于选取的磁弹性材料为基础，选用的超磁致伸缩材料13具有以下几个主要特性：

(1)倍频现象：超磁致伸缩材料13只与激励磁场大小有关，与磁场方向无关。在正负磁场作用下，都会有伸长变形，其产生的机械运动是外加激励磁场频率的两倍，即倍频现象，且变形量与磁场的关系为非线性；

(2)抗压现象：超磁致伸缩材料13刚性好、性脆、抗拉强度差，使用时一般要使其在受压状态下工作，并且在有预压力下比无预压力时的磁致伸缩量大；

(3)磁滞现象及能量损耗：超磁致伸缩材料13在动静态加载时，其材料内部磁畴畴壁的不可逆移动而使材料在宏观上表现出磁滞现象，展现了材料非线性特性，为此，必须有高精度的控制要求，同时高频外加磁场载荷下，涡流效应引起了能量损耗，并伴有热量产生，适宜在低频下工作；

(4)磁导率低：需要在闭合磁路下工作，防止漏磁，且驱动磁场均匀，对磁路要求尤为重要；

(5)较高的磁机耦合特性，能够高效地进行磁能到机械能的转换；

(6)较高的承受负载能力；

(7)静态和动态负载下良好的稳定性；

(8)低电压驱动操作。

综上所述，本发明各实施例的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，由于包括套筒，以及紧固配合设置在套筒中的磁路机构、驱动机构、预压机构与传感器组件；磁路机构可以产生闭合磁路，驱动机构通过控制激励电流和直流电流可以产生激励磁场和偏置磁场；从而可以克服现有技术中功能单一、结构复杂与磁场均匀度低的缺陷，以实现功能多样、结构简单与磁场均匀度高的优点。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，包括具有封闭结构的套筒，以及紧固配合设置在所述套筒中的磁路机构、驱动机构、预压机构与传感器组件；其中，所述磁路机构套装在套筒的内部，所述驱动机构套装在磁路机构的内部，所述预压机构设置在套筒与磁路机构之间、并伸出套筒。

2.根据权利要求1所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述套筒包括封装设置的套筒上盖、套筒侧壁与套筒底座，其中：

所述套筒侧壁垂直放置，套筒上盖水平设置在套筒侧壁上方，套筒底座水平设置在套筒侧壁下方；

在所述套筒上盖的中心位置开设有输出孔，在套筒底座的中部设有凹槽，在凹槽的中心位置开设有预紧孔。

3.根据权利要求1或2所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述磁路机构包括超磁致伸缩材料，轴向对称设置在所述超磁致伸缩材料上下两端的上端轴向导磁体与下端轴向导磁体，横向对称设置在所述超磁致伸缩材料左右两端的第一横向导磁组件与第二横向导磁组件；所述上端轴向导磁体与下端轴向导磁体的结构相同，第一横向导磁组件与第二横向导磁组件的结构相同。

4.根据权利要求3所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述预压机构包括位于上端轴向导磁体的上方、且伸出套筒的输出导杆，位于下端轴向导磁体的下方、且未伸出套筒的下端顶杆，设置在所述输出导杆与套筒之间的碟形弹簧，设置在所述下端顶杆的底部、设有未伸出套筒的预压螺塞。

5.根据权利要求4所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述第一横向导磁组件包括靠近套筒与输出导杆、且水平设置的上端横向导磁体，靠近套筒与下端顶杆、且水平设置的下端横向导磁体，以及靠近套筒、且竖直设置在上端横向导磁体与下端横向导磁体之间的导磁壁。

6.根据权利要求4所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述驱动机构包括分别与第一横向导磁组件及第二横向导磁组件配合、且轴向对称设置在超磁致伸缩材料的左右两端的第一驱动组件与第二驱动组件，所述第一驱动组件与第二驱动组件的结构相同。

7.根据权利要求6所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述第一驱动组件包括靠近上端横向导磁体、轴向导磁组件与下端横向导磁体设置的“匚”型胶木线圈骨架，配合缠绕在所述“匚”型胶木线圈骨架上的驱动线圈，以及与所述驱动线圈连接的连接导线；所述连接导线伸出套筒。

8.根据权利要求7所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述传感器组件包括设置在第一驱动组件的“匚”型胶木线圈骨架、与超磁致伸缩材料及下端轴向导磁体之间的磁场霍尔传感器与温度传感器，设置在下端轴向导磁体与下端顶杆之间的薄膜压力传感器，设置在超磁致伸缩材料内部的应变测量传感器，以及设置在上端轴向导磁体上方的位移传感器，以及分别与磁场霍尔传感器、温度传感器、薄膜压力传感器、应变测量传感器及位移传感器连接的屏蔽导线；所述屏蔽导线伸出套筒。

9.根据权利要求3所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，在所述超磁致伸缩材料上，缠绕有多匝同轴磁感应强度测试线圈。

10.根据权利要求4所述的基于磁弹性材料的电磁式微驱动器，其特征在于，所述输出导杆包括轴向设置的竖梁，以及横向对称设置在竖梁两侧的左横梁与右横梁；所述下端顶杆包括轴向设置的竖梁，以及横向对称设置在竖梁两侧的左横梁与右横梁；

所述输出导杆的竖梁伸出输出孔；下端顶杆的左横梁与右横梁位于套筒底座的凹槽中，下端顶杆的竖梁底端及预压螺塞位于预紧孔中。

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