CN102969934A - 基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机，包括：定子、转子和端盖，定子包括定子基体和若干超磁致伸缩单元，定子基体上设置有若干凹槽，超磁致伸缩单元设置在凹槽内，转子穿射于定子基体的中心与定子基体螺纹连接，端盖连接至定子基体底部，超磁致伸缩单元包括：超磁致伸缩棒、线圈支架、激励线圈和密封罩，超磁致伸缩棒的两端固接至定子基体的凹槽内，其中部设置有凸台，线圈支架与凸台连接，激励线圈与线圈支架绕接连接，密封罩设置在激励线圈外侧且与线圈支架连接。本发明具有精度高、结构紧凑、频响宽、变形量大、驱动电压低、负载能力强、长时间工作可靠、效率高等优点，可广泛应用于机器人、医疗器械、精密仪器、光学等领域。

Description

基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机
技术领域
本发明涉及一种驱动电机，具体涉及一种基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机，属于超磁致伸缩材料的应用领域。
背景技术
当今世界科技日新月异，越来越多的场合需要用到微型精密电机，如航空航天、机器人、精密医疗器械、生物工程等领域，而传统的电磁电机由于其体积过大，结构不够紧凑等缺点难以应用于微小和精细结构中；另外，回程间隙过大、无法降低噪声、效率低下等缺点也限制了其应用。
为了克服上述传统电磁电机的缺点，人们研制了基于压电原理的超声电机。基于压电原理的超声波电机是一类基于振动原理的摩擦驱动电机，其利用压电材料激励出定子的振动，使得定子驱动表面质点的运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动与其相接触的转子或导轨作旋转或直线运动。具有位移分辨率高、无噪声、体积小和响应快等突出的优点，但是压电超声电机存在压电材料的变形量小、驱动电压高、效率低等缺点。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机，利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应将电磁能转化为定子的振动，定子通过摩擦驱动运动部件实现旋转或直线运动的电机。与传统电磁电机相比，具有精度高、结构紧凑等特点，与压电超声电机相比，具有频响宽、变形量大、驱动电压低、负载能力强、长时间工作可靠、效率高等优点，将在机器人、医疗器械、精密仪器、光学等领域获得广泛应用。
根据本发明的一个方面，提供一种基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机，包括：定子、转子和端盖，定子包括定子基体和若干超磁致伸缩单元，定子基体上设置有若干凹槽，超磁致伸缩单元设置在凹槽内，转子穿射于定子基体的中心与定子基体螺纹连接，端盖连接至定子基体底部，超磁致伸缩单元包括：超磁致伸缩棒、线圈支架、激励线圈和密封罩，超磁致伸缩棒的两端固接至定子基体的凹槽内，其中部设置有凸台，线圈支架与凸台连接，激励线圈与线圈支架绕接连接，密封罩设置在激励线圈外侧且与线圈支架连接。
优选地，该转子内部为中空结构。
优选地，该端盖为圆环薄片，圆环薄片上设置有若干第一螺纹孔，对应的，定子基体上相应的设置有若干第二螺纹孔，圆环薄片通过螺钉固接至定子基体底部。
优选地，该基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机还包括垫圈，垫圈设置在端盖和定子基体之间。
优选地，该相邻两个凹槽之间凸出部分形成驱动足。
优选地，该超磁致伸缩单元的数量为4个，相应的，凹槽的数量为4个。
优选地，该电机激励时，沿顺时针方向，前两个超单元依次施加相位差为π/2或者为负π/2的两相正弦激励信号，后两个超磁致伸缩单元的两相激励信号依次与前两相激励信号相同。
优选地，该超磁致伸缩单元的数量为6个，相应的，凹槽的数量为6个。
优选地，该电机激励时，沿顺时针方向，前三个超磁致伸缩单元依次施加相位差为π/3或者为负π/3的三相正弦激励信号，后三个超磁致伸缩单元的三相激励信号依次与前三相激励信号相同。
优选地，该超磁致伸缩材料可采用Tb0.27Dy0.73Fe或Tb0.27Dy0.73Fe1.9。
本发明利用了超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应。在交变电流产生的交变磁场的激励下，改变了超磁致伸缩棒的磁化状态，从而使其尺寸发生相应改变。先通过施加给各个激励线圈以适当的激励信号，各激励信号之间具有一定的相位差，使得超磁致伸缩单元在定子内形成面内行波，由定子的面内行波导致定子上驱动足的运动轨迹为椭圆，通过定子驱动足和转子直接的接触摩擦力带动转子运动，最终将电磁能转换成机械能。与传统的电磁电机或压电超声电机相比，本发明具有体积小、输出力大、能量密度高、静音、频响宽和控制精度高等优点。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明具有精度高、结构紧凑、频响宽、变形量大、驱动电压低、负载能力强、长时间工作可靠、效率高等优点，可广泛应用于精密加工、光学等领域。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例一包括6个超磁致伸缩单元的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机的结构俯视图；
图2为图1的A-A向剖视图；
图3为本发明实施例一的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机的侧视图；
图4为本发明实施例的超磁致伸缩单元的安装结构剖视图；
图5为本发明实施例的端盖的结构示意图；
图6为实施一的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机在激励信号激励后的电机运转模态示意图；
图7为用于激励实施一的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机的激励信号示意图；
图8为本发明实施例二包括4个超磁致伸缩单元的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机的结构俯视图；
图9为用于激励实施二的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机的激励信号示意图。
图中：1为定子，2为转子，3为端盖，4为垫圈，11为定子基体，12为超磁致伸缩单元，13为驱动足，14为第二螺纹孔，15为螺纹，21为螺纹副，31为第一螺纹孔，121为密封罩，122为线圈支架，123为超磁致伸缩棒，124为激励线圈，71为Asin(ωt)，72为Asin(ωt+π/3)，73为Asin(ωt+2π/3)，91为Acos(ωt)，92为Asin(ωt)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例一
如图1所示，本实施例的基于磁致伸缩效应的螺纹直线电机包括定子1、转子2和端盖3，定子1包括定子基体11和6个超磁致伸缩单元12，定子基体11上设置有6个凹槽，超磁致伸缩单元12分别设置在各凹槽内，每相邻两个凹槽之间凸出部分形成驱动足13，定子基体内部设置有螺纹15，顶部均匀设置有6个第二螺纹孔14。转子2内部为中空结构，其上设置有螺纹副21，其穿射于定子基体11的中心与定子基体11通过螺纹15和螺纹副21实现螺纹连接，端盖3采用圆环薄片，其连接至定子基体11底部，圆环薄片上均匀设置有6个第一螺纹孔31，第一螺纹孔31与第二螺纹孔14的位置相对应，圆环薄片通过螺钉、第一螺纹孔31和第二螺纹孔14固接至定子基体11底部。
超磁致伸缩单元12包括：加工成阶梯状的超磁致伸缩棒123、线圈支架122、激励线圈124和密封罩121，超磁致伸缩棒123的两端固接至定子基体11的凹槽内，其中部设置有凸台，线圈支架122与凸台连接，激励线圈124与线圈支架122绕接连接，密封罩121设置在激励线圈124外侧且与线圈支架122连接。
进一步地，本发明还包括垫圈4，垫圈4设置在端盖3和定子基体11之间，通过调整垫圈的厚度可以调整端盖3和定子基体11之间的间隙，从而起到螺纹预紧并调整驱动力的作用。
与常规的磁致伸缩材料相比，超磁致伸缩材料变形量更大，且适于常温应用。超磁致伸缩材料于1987年实现商品化生产，典型成分为TbxDy1-xFe2-y，式中：下标x表示Tb/Dy之比；下标y表示R/Fe之比；x一般为0.27-0.35；y为0.1-0.05。典型的商品牌号有Terfenol-D（美国Edge Technologies公司），代表成分为Tb0.27Dy0.73Fe2；Magmek86（瑞典Feredyn AB公司），代表成分为Tb0.27Dy0.73Fe1.93。除了美国和瑞典，日本住友轻金属株式会社、日本东芝公司、英国稀土制品公司（REP）也能够进行规模成生产。我国作为稀土资源大国，虽然开展这方面研究较晚，但是发展很快，北京科技大学、北京有色金属研究总院、冶金部钢铁研究总院、包钢稀土研究所、中科院物理所、中科院上海冶金研究所和辽宁新城稀土压磁材料有限公司等单位都在从事该材料的研究，主要性能指标都已经达到或接近国际先进水平。
本发明的超磁致伸缩材料可采用Tb0.27Dy0.73Fe或Tb0.27Dy0.73Fe1.9，但不限于此。
本发明进行电机激励时，各相驱动信号的幅值相同，相位取决于超磁致伸缩单元的数目。本实施例中，电机激励时，沿顺时针方向，前三个超磁致伸缩单元依次施加相位差为π/3或者为负π/3的三相正弦激励信号，后三个超磁致伸缩单元的三相激励信号依次与前三相激励信号相同。以下同时结合图1至图7对本实施例的基于磁致伸缩效应的螺纹直线电机的工作原理进行说明。
如图4所示。激励线圈124中产生的磁通基本上都被约束在由磁性材料构成的磁路内，漏磁很小。工作时，先选择合适的垫圈4来调整螺纹预紧力，使螺纹驱动力达到最大。然后，在6个超磁致伸缩单元12上，顺时针方向施加相位差为π/3的激励信号，如图6所示。以右上角的超磁致伸缩单元12为第一个超磁致伸缩单元12，沿顺时针方向，依次排序为第二个超磁致伸缩单元12、第三个超磁致伸缩单元12、第四个超磁致伸缩单元12、第五个超磁致伸缩单元12和第六个超磁致伸缩单元12，考虑到超磁致伸缩棒123对磁场方向不敏感，第一个超磁致伸缩单元12的信号与第四个超磁致伸缩单元12的信号相同，第二个超磁致伸缩单元12的信号与第五个超磁致伸缩单元12的信号相同，第三个超磁致伸缩单元12的信号与第六个超磁致伸缩单元12的信号相同。
由于第四、五、六个超磁致伸缩单元12的信号在超磁致伸缩材料上的激励效果与第一、二、三个超磁致伸缩单元12的信号相同，为了降低驱动信号组合的复杂程度，具体施加方式为：信号71为Asin(ωt)，施加于第一个超磁致伸缩单元12上；信号72为Asin(ωt+π/3)，施加于第二个超磁致伸缩单元12上；信号73为Asin(ωt+2π/3)，施加于第三个超磁致伸缩单元12上；信号71为Asin(ωt)，施加于第四个超磁致伸缩单元12上；信号72为Asin(ωt+π/3)，施加于第五个超磁致伸缩单元12上；信号73为Asin(ωt+2π/3)，施加于第六个超磁致伸缩单元12上。上述信号在定子1上可激振出如附图6所示的模态，从而带动定子基体上的驱动足做椭圆运动，再通过如附图2所示的螺纹啮合，由摩擦力带动转子2旋转。
实施例二
请参阅图8，本实施例中，定子1包括定子基体11和4个超磁致伸缩单元12，定子基体11上设置有4个凹槽，超磁致伸缩单元12分别设置在各凹槽内。电机激励时，沿顺时针方向，前两个超磁致伸缩单元依次施加相位差为π/2或者为负π/2的两相正弦激励信号，后两个超磁致伸缩单元的两相激励信号依次与前两相激励信号相同。除以上与实施例一的不同之处，以及相应的驱动足的数量、第一螺纹孔和第二螺纹孔的数量均为4个以外，本实施例的其它部件及组成均与实施例一相同，在此不予赘述。
以下同时结合图8、图9对本实施例的基于磁致伸缩效应的螺纹直线电机的工作原理进行说明。
如图9所示，沿顺时针方向加在超磁致伸缩单元上的激励信号中，91为Acos(ωt)，92为Asin(ωt)，他们的相位差为90°。图8中，正上方的超磁致伸缩单元123为第一个超磁致伸缩单元123，沿顺时针方向，依次为第二个超磁致伸缩单元123、第三个超磁致伸缩单元123和第四个超磁致伸缩单元123，第一个超磁致伸缩单元123和第三个超磁致伸缩单元123施加一定幅度的正弦信号92Asin(ωt)，第二个超磁致伸缩单元123和第四个超磁致伸缩单元123施加相同幅度的余弦信号91Acos(ωt)。定子1在超磁致伸缩单元123的作用下，产生面内行波，并使得驱动足上的质点做椭圆运动。驱动足与电机转子通过螺纹相互配合。当驱动足由于定子1的面内行波而做椭圆运动时，通过摩擦力，驱动转子2旋转，实现精密驱动。
本发明利用了超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应。在交变电流产生的交变磁场的激励下，改变了超磁致伸缩棒的磁化状态，从而使其尺寸发生相应改变。先通过施加给各个激励线圈以适当的激励信号，各激励信号之间具有一定的相位差，使得磁致伸缩单元在定子内形成面内行波，由定子的面内行波导致定子上驱动足的运动轨迹为椭圆，通过定子驱动足和转子直接的接触摩擦力带动转子运动，最终将电磁能转换成机械能。与传统的电磁电机或压电超声电机相比，本发明具有体积小、输出力大、能量密度高、静音、频响宽和控制精度高等优点。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机，其特征在于，包括：定子、转子和端盖，所述定子包括定子基体和若干超磁致伸缩单元，所述定子基体上设置有若干凹槽，所述超磁致伸缩单元设置在所述凹槽内，所述转子穿射于所述定子基体的中心与所述定子基体螺纹连接，所述端盖连接至所述定子基体底部，所述超磁致伸缩单元包括：超磁致伸缩棒、线圈支架、激励线圈和密封罩，所述超磁致伸缩棒的两端固接至所述定子基体的凹槽内，其中部设置有凸台，所述线圈支架与所述凸台连接，所述激励线圈与所述线圈支架绕接连接，所述密封罩设置在所述激励线圈外侧且与所述线圈支架连接。
2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机，其特征在于，所述转子内部为中空结构。
3.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机，其特征在于，所述端盖为圆环薄片，所述圆环薄片上设置有若干第一螺纹孔，对应的，所述定子基体上相应的设置有若干第二螺纹孔，所述圆环薄片通过螺钉固接至所述定子基体底部。
4.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机，其特征在于，还包括垫圈，所述垫圈设置在所述端盖和定子基体之间。
5.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机，其特征在于，所述相邻两个凹槽之间凸出部分形成驱动足。
6.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机，其特征在于，所述超磁致伸缩单元的数量为4个，相应的，所述凹槽的数量为4个。
7.根据权利要求6所述的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机，其特征在于，所述电机激励时，沿顺时针方向，前两个超磁致伸缩单元依次施加相位差为π/2或者为负π/2的两相正弦激励信号，后两个超磁致伸缩单元的两相激励信号依次与前两相激励信号相同。
8.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机，其特征在于，所述超磁致伸缩单元的数量为6个，相应的，所述凹槽的数量为6个。
9.根据权利要求8所述的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机，其特征在于，所述电机激励时，沿顺时针方向，前三个超磁致伸缩单元依次施加相位差为π/3或者为负π/3的三相正弦激励信号，后三个超磁致伸缩单元的三相激励信号依次与前三相激励信号相同。
10.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩效应的微型螺纹直线电机，其特征在于，所述超磁致伸缩材料采用Tb0.27Dy0.73Fe或Tb0.27Dy0.73Fe1.9。
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