CN102857140A

CN102857140A - 一种单驱双向旋转型超磁致伸缩电机

Info

Publication number: CN102857140A
Application number: CN2012100067820A
Authority: CN
Inventors: 邢增平; 何彬; 钱华荣; 徐凯
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-01-11
Also published as: CN102857140B

Abstract

本发明涉及一种单驱双向旋转型超磁致伸缩电机，包括定子、转子、驱动线圈和偏置磁体，其中：定子由超磁致伸缩材料块和驱动体通过界面力结合成一体，转子穿过定子的内孔，偏置磁体置于超磁致伸缩材料块的端部，驱动线圈置于定子外。本发明提供了一种易于微型化的旋转型超磁致伸缩电机，由于定子是由超磁致伸缩材料块和驱动体通过界面力相连接，使得加工工艺简单、结构简单并适合进行微型化；采用单片或双片超磁致伸缩材料块作为驱动元件，实现了低成本化、低压驱动和高力矩输出；由于整个电机在电路中等效一个电感，使得匹配电路更加简单(相对压电电机)；本发明具有结构简单、低压驱动、单驱双向、低成本和易于微型化的特点，其机械部分和电路部分可以隔离开，使得其能够应用于一些特殊需求领域。

Description

一种单驱双向旋转型超磁致伸缩电机

技术领域

本发明属于微型马达领域，特别是涉及一种单驱双向旋转型超磁致伸缩电机。

背景技术

微型电机驱动元件的材料主要有压电材料、形状记忆合金、电致流变(ER)材料和超磁致伸缩材料。在这些驱动元件材料中，压电材料为驱动元件的微型电机和作动器的研究开发和应用比较成熟。与其它驱动元件材料相比，超磁致伸缩材料具有大应力负载、大应变(压电材料5-8倍)、无疲劳极限、高磁(电)-机械转换效率(耦合系数达0.75)、响应速度快(＜1μs)和低电压驱动等特点，其非常的适合作为微作动器的驱动元件。

在中国专利申请公开说明书中，CN102013834A、CN102005967A和CN102005966A中针对已有的旋转型压电电机为了实现双向控制驱动，往往需要两套压电片和两路驱动信号，并配合设计空间上相位差来实现这个问题，分别提出了基于边界条件的单驱双向压电马达、频率控制转向的单驱动微马达和电极分割型单驱动双向压电马达，这使得双向旋转型压电电机的结构和电路得到简化，更适合微型化。但是其使用压电片作为驱动元件，使得驱动电压偏高及高压驱动带来的短路问题、输出力矩偏小、电极直接与驱动元件相连接和整个电机在电路中表现为容性而带来匹配电路复杂，这些缺陷限制了其的应用范围。

在美国专利文献中，US5079460、US546015和US5341056中描述了旋转型超磁致伸缩电机，虽然他们能够提供大力矩和精确定位，但是他们结构复杂而不适合于微型化、使用多块的超磁致伸缩材料导致成本太高、多路信号驱动使得驱动电路比较复杂。

在文献《Miniature Spherical Motor using Bimetal of Magnetostrictive Materials》中描述了一种多自由度球型超磁致伸缩电机，其使用4块的超磁致伸缩材料(Galfenol)和Ni的结合体作为驱动元件，其实现了微型化和多自由度化，但是结构复杂和成本高问题导致其再进一步的微型化比较困难，高成本也限制其的应用范围。

针对以上现有技术中存在的问题：现有单驱双向压电电机的驱动电压高及高电压带来短路问题、输出力矩小、输出功率小、机械与电路部分不能相互隔离和匹配电路比较复杂的缺点，现有的旋转型超磁致伸缩电机的结构复杂、成本高和不易于微型化的缺点，研究一款单驱双向和适合微型化的超磁致伸缩电机具有更好的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、低压驱动、单驱双向、低成本和易于微型化的旋转型超磁致伸缩电机。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种单驱双向旋转型超磁致伸缩电机，包括定子、转子、驱动线圈和偏置磁体，所述定子置于底座上，并与底座集成一体，其特征在于：

所述定子是由带贯穿内孔的驱动体和超磁致伸缩材料块连接而成，所述超磁致伸缩材料块置于驱动体的一个侧面，所述内孔设于靠近该侧面的位置；

所述偏置磁体由一个或一对永磁铁组成并置于所述超磁致伸缩材料块端部；

所述转子穿过定子的内孔，其下端与底座配合限位固定，为定子与转子提供预压力；

所述驱动线圈为一定圈数的漆包线绕成并置于所述定子外并完全覆盖所述超磁致伸缩材料块，工作时，通过对驱动线圈两端施加驱动信号如方波信号以实现单驱双向。

作为改进，所述转子为上端设有斜面、下端设有卡槽的杆体结构，所述定子的内孔为圆形孔，内孔的上端面成型为与转子的斜面配合的内凹的环形斜面，所述底座上成型有与内孔对应的通孔，通孔的外侧设有与转子的底部卡槽配合的弹性卡片，所述转子穿过内孔、底座通孔，其上端的斜面与内孔的环形斜面配合形成摩擦传动面，其下端通过卡槽与弹性卡片的配合限位固定。

作为改进，所述定子的驱动体呈圆柱体，所述内孔设于圆柱体的中心位置，在圆柱体的一个侧面竖直切出一平面，所述超磁致伸缩材料块与该平面通过界面力连接成一体，所述驱动线圈置于所述超磁致伸缩材料块和所述的定子外面，并完全覆盖所述超磁致伸缩材料块。

再改进，所述定子的驱动体呈方形柱，所述内孔靠近该方形柱的其中一个侧面，所述超磁致伸缩材料块与该侧面通过界面力连接成一体；所述驱动线圈置于所述超磁致伸缩材料块和所述的定子外面，并完全覆盖所述超磁致伸缩材料块。

作为改进，所述定子的驱动体呈圆柱体或方形柱，在圆柱体的一个侧面竖直切出一平面，在该平面或方形柱的一个侧面的上下两端设有凸缘，所述内孔靠近设有凸缘的一侧，所述超磁致伸缩材料块为一块或二块，分别并排且相间隔一定间距的置于两个凸缘之间，所述磁致伸缩材料块的两端与所述凸缘通过界面力相连接成一体，并与该平面留有一定间距；所述驱动线圈为对应的一个或二个，置于所述超磁致伸缩材料块外，并完全覆盖所述超磁致伸缩材料块。此种结构使得线圈的体积达到最小，使得结构更加的紧凑。

进一步改进，所述底座的四个边缘上分别设有一个固定螺孔，通过四个固定螺孔中的任意对角两个进行固定，对线圈的两端通以驱动信号以实现正反转，或者通过固定底座上的四个固定螺孔进行固定，对所述驱动线圈通以两个不同的一定频率的驱动信号达到单驱双向的功能。由于通过固定底座四个固定螺孔中的任意对角两个，破坏了其边界条件的对称性，从而使得其受力的对称性受到破坏，实现单驱双向功能。另一种方法是根据其定子在两个互相垂直方向不对称的特性，使得其正反方向的模态特性不相同，所以可以通过改变驱动信号的频率，从而激发出不同的主要振型，从而实现通过改变驱动信号的频率来实现单驱双向的功能，由于其是用一路驱动信号，使得驱动电路的设计更加简单，使得超磁致伸缩电机更容易微型化。

最后，所述底座的四个边缘上分别设有一个固定螺孔进行固定，当所述超磁致伸缩材料块为二块时，分别对其中一个线圈通以驱动信号，由于受力的不对称性，使得转子朝一个方向旋转，从而通过控制不同线圈的通断电来达到单驱双向的功能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：定子是由超磁致伸缩材料块和驱动体通过界面力相连接，使得加工工艺简单、结构简单并适合进行微型化；采用单片或双片超磁致伸缩材料块作为驱动元件，实现了低成本化、低压驱动和高力矩输出；由于整个电机在电路中等效一个电感，使得匹配电路更加简单(相对压电电机)；本发明具有结构简单、低压驱动、单驱双向、低成本和易于微型化的特点，其机械部分和电路部分可以隔离开，使得其能够应用于一些特殊需求领域。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的定子的中空圆柱与底座的集成一体示意图；

图3是本发明实施例1的转子结构示意图；

图4是本发明实施例1转子与底座固定后的结构示意图；

图5是本发明实施例2的结构示意图；

图6是本发明实施例1的结构分解示意图；

图7是本发明实施例3的结构示意图；

图8是本发明实施例3的定子与底座的集成一体示意图；

图9是本发明实施例4的结构示意图.

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，但本发明并不局限于以下实施方式。

实施例1

如图1至图4所示，一种单驱双向旋转型超磁致伸缩电机，包括定子1、转子2、驱动线圈4和偏置磁体5，所述定子1置于底座8上，并与底座8集成一体，其中定子1、转子2和底座8结构采用金属材料制成，驱动线圈4采用漆包线制成，如图2所示，所述定子1是由一个在侧面切出一个平面13的中空圆柱14和一块超磁致伸缩材料块3(铽镝铁片)通过环氧树脂粘接在一起，中空圆柱14的内孔11上端有一个环形斜面12，所述偏置磁体5由一对永磁铁组成并分别置于所述超磁致伸缩材料块3的两端，为超磁致伸缩材料块3的铽镝铁片提供偏置磁场；驱动线圈4置于整个定子1之外，当在驱动线圈4两端加上方波信号，为超磁致伸缩材料块3的铽镝铁片的伸缩提供变磁场。如图3所示，所述转子2是一个上端设有斜面21、下端设有卡槽22的杆体结构，其斜面21与定子1内孔11的环形斜面12相匹配形成摩擦传动面，转子2穿过定子内孔11和底座8，斜面21与定子内孔11上端的环形斜面12相匹配，通过弹性卡片6卡在转子2的末端卡槽22内并顶在底座8面上，为斜面21与定子的内孔11上端的斜面12接触提供预压力和限位固定；所述底座8的四个边缘上分别设有一个固定螺孔，当固定底座8上的螺孔7b和7d，并在线圈4两端上加方波信号，电机就实现正转，当固定螺孔7a和7c，并线圈两端上加一定频率的方波信号，电机实现反转，由此就可以通过控制边界条件而实现单驱双向功能。当固定底座8上的所有螺孔，由于切去一部分的中空圆柱14和超磁致伸缩材料块3的铽镝铁片构成的定子1是一个不对称结构，使得其扭转模态特性在正反方向不一样，通过改变频率就可以激发出正反方向上的扭转模态振型，从而实现了通过控制频率来实现单驱双向的功能。这两种实现正反转功能的方法都是使用一路的信号进行驱动，使得电路设计更加简单，更适合微型化。

实施例2

如图5所示，与实施例1不同之处在于其定子1由一个中空的方形柱和一块超磁致伸缩材料块3通过环氧树脂粘接在一起，所述内孔11靠近该长方体与所述超磁致伸缩材料块连接的一侧，通过内孔11上端的斜面12与转子2的斜面21相匹配；所述偏置磁体5由一对永磁铁组成并分别置于所述超磁致伸缩材料块3的两端，为超磁致伸缩材料块3的铽镝铁片提供偏置磁场；所述驱动线圈4置于定子1外，通过转子2的末端卡槽22与弹性卡片6的配合，为定子1与转子2提供预压力；通过固定底座8上的不同对角的固定螺孔7a与7b或者7c与7d，并对线圈4两端通以驱动信号就可以实现正反转，也可以固定底座8上的四个固定螺孔7a、7b、7c和7d，通过改变频率来实现单驱双向的功能。

实施例3

如图7、图8所示，与实施例2不同之处在于其定子的中空的方形柱的一个侧面的上下两端设有凸缘15，所述超磁致伸缩材料块3置于两个凸缘15之间，通过环氧树脂与凸缘15粘接在一起，并与方形柱的侧面留有一定间距，所述内孔11靠近设有凸缘15的一侧，方形柱的内孔11上端有一个与转子2的斜面21相匹配的斜面12。驱动线圈4置于超磁致伸缩材料块3外，通过转子2的末端卡槽22与弹性卡片6的配合，为定子1与转子2提供预压力，偏置磁铁5由一对永磁铁组成并分别置于超磁致伸缩材料块3的两端。通过固定底座8上的不同对角的固定螺孔，并对驱动线圈4通以驱动信号就可以实现正反转。此种结构使得线圈的体积达到最小，使得结构更加的紧凑，

实施例4

如图9所示，与实施例3不同之处在于所述超磁致伸缩材料块为二块3a和3b，分别并排且相间隔一定间距的置于两个凸缘15之间，所述磁致伸缩材料块3a和3b的两端与所述凸缘15通过环氧树脂粘接成一体，并方形柱的侧面留有一定间距，所述内孔11靠近设有凸缘15的一侧；所述驱动线圈为对应的二个4a和4b，分别置于所述超磁致伸缩材料块3a和3b外，并完全覆盖所述超磁致伸缩材料块3a和3b，所述偏置磁铁5置于超磁致伸缩材料块3a和3b的两端提供偏置磁场，固定底座8上有四个固定螺孔7a、7b或者7c、7d，对线圈4a通以驱动信号，由于受力的不对称性，则会驱动转子2进行正转，对线圈4b通以驱动信号，则会驱动转子2进行反转，从而实现单驱双向功能。

本发明仅仅对最佳实施方案做了描写，不能理解为对权利要求的限定，凡本发明技术上一些改进或者等同技术手段替换如镶嵌或者紧配合固定来代替粘接固定均应理解为本发明的保护范围内。

Claims

1.一种单驱双向旋转型超磁致伸缩电机，包括定子、转子、驱动线圈和偏置磁体，所述定子置于底座上，并与底座集成一体，其特征在于：

所述驱动线圈为一定圈数的漆包线绕成并置于所述定子外并完全覆盖所述超磁致伸缩材料块，工作时，通过对驱动线圈两端施加驱动信号以实现单驱双向。

2.根据权利要求1所述的单驱双向旋转型超磁致伸缩电机，其特征在于所述转子为上端设有斜面、下端设有卡槽的杆体结构，所述定子的内孔为圆形孔，内孔的上端面成型为与转子的斜面配合的内凹的环形斜面，所述底座上成型有与内孔对应的通孔，通孔的外侧设有与转子的底部卡槽配合的弹性卡片，所述转子穿过内孔、底座通孔，其上端的斜面与内孔的环形斜面配合形成摩擦传动面，其下端通过卡槽与弹性卡片的配合实现限位固定。

3.根据权利要求2所述的单驱双向旋转型超磁致伸缩电机，其特征在于所述定子的驱动体呈圆柱体，所述内孔设于圆柱体的中心位置，在圆柱体的一个侧面竖直切出一平面，所述超磁致伸缩材料块与该平面通过界面力连接成一体，所述驱动线圈置于所述超磁致伸缩材料块和所述的定子外面，并完全覆盖所述超磁致伸缩材料块。

4.根据权利要求2所述的单驱双向旋转型超磁致伸缩电机，其特征在于所述定子的驱动体呈方形柱，所述内孔靠近该方形柱的其中一个侧面，所述超磁致伸缩材料块与该侧面通过界面力连接成一体；所述驱动线圈置于所述超磁致伸缩材料块和所述的定子外面，并完全覆盖所述超磁致伸缩材料块。

5.根据权利要求2所述的单驱双向旋转型超磁致伸缩电机，其特征在于所述定子的驱动体呈圆柱体或方形柱，在圆柱体的一个侧面竖直切出一平面，在该平面或方形柱的一个侧面的上下两端设有凸缘，所述内孔靠近设有凸缘的一侧，所述超磁致伸缩材料块为一块或二块，独自或者分别并排且相间隔一定间距的置于两个凸缘之间，所述磁致伸缩材料块的两端与所述凸缘通过界面力相连接成一体，并与该平面留有一定间距；所述驱动线圈为对应的一个或二个，置于所述超磁致伸缩材料块外，并完全覆盖所述超磁致伸缩材料块。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的单驱双向旋转型超磁致伸缩电机，其特征在于所述底座的四个边缘上分别设有一个固定螺孔，对线圈的两端通以驱动信号以实现正反转，或者，对所述驱动线圈通以两个不同的一定频率的驱动信号达到单驱双向的功能。

7.根据权利要求5所述的单驱双向旋转型超磁致伸缩电机，其特征在于所述底座的四个边缘上分别有一个固定螺孔，当所述超磁致伸缩材料块为二块时，分别对其中一个线圈通以驱动信号，来实现单驱双向功能。