CN102983778B - 基于超磁致伸缩材料的旋转电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于超磁致伸缩材料的旋转电机，包括：预压力系统、定子和两个转子，预压力系统包括输出轴、两个弹簧和两个弹簧固定件，转子连接至定子的两端，输出轴穿射于定子和转子的中心分别与定子和转子套接连接，弹簧套接至输出轴的两端，且紧压转子，弹簧固定件与输出轴连接紧压弹簧；定子包括两个定子驱动端、若干个超磁致伸缩单元和若干固定件，各超磁致伸缩单元均匀设置在两个定子驱动端之间且两端分别通过固定件与定子驱动端连接，定子通过摩擦驱动转子旋转。本发明具有高精度、无噪声、响应快、负载能力大、工作频带宽、稳定性好、可靠性高、无疲劳、无过热失效等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型旋转电机，特别是一种基于超磁致伸缩材料的旋转电机，属于磁致伸缩材料和超磁致伸缩材料的应用领域。
背景技术
所谓磁致伸缩是铁磁物质(磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数远大于传统的磁致伸缩材料。尤其是稀土超磁致伸缩材料，性能更好：磁致伸缩应变λ比PZT材料大5—25倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约l0mm的Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力：能量转换效率（用机电耦合系数K33表示）高达70%，PZT材料仅有40~60%；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。
对于棒状超磁致伸缩材料来说，其体积和形状会沿磁力线方向或外加磁场方向发生变形的现象，物体发生形变的大小与磁场强度成正比，磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大很多。因而有益于用其构造类似压电超声波电机的磁致伸缩致动器或电机。
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，但是压电超声波电机存在压电材料的变形量小、驱动电压高、效率低等缺点。本发明利用超磁致伸缩材料构造振动摩擦驱动原理的电机，且同样具有高精度、无噪声、响应快等优点，并且能克服压电超声波电机的缺点。
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超磁致伸缩材料的旋转电机，同样具有压电超声波电机高精度、无噪声、响应快等优点，此外，与压电超声波机相比，还具有如下优点和效果：驱动负载能力强、推力大、形变量大、体积小、功率大；可低频工作，工作频带宽，即使很小的输入也会使磁致伸缩棒产生较大的变形；稳定性好、可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化；无疲劳、无过热失效问题。
根据本发明的一个方面，提供一种基于超磁致伸缩材料的旋转电机，包括：预压力系统、定子和两个转子，预压力系统包括输出轴、两个弹簧和两个弹簧固定件，转子连接至定子的两端，输出轴穿射于定子和转子的中心分别与定子和转子套接连接，弹簧套接至输出轴的两端，且紧压转子，弹簧固定件与输出轴连接紧压弹簧；定子包括两个定子驱动端、若干个超磁致伸缩单元和若干固定件，各超磁致伸缩单元均匀设置在两个定子驱动端之间且两端分别通过固定件与定子驱动端连接，定子通过摩擦驱动转子旋转。
优选地，该超磁致伸缩单元包括：超磁致伸缩棒、线圈骨架、线圈和阻磁外壳，超磁致伸缩棒中部设置有凸台，线圈骨架与凸台固接连接，线圈与线圈骨架绕接连接，阻磁外壳设置在线圈外侧且与线圈骨架连接。
优选地，该超磁致伸缩单元还包括永磁体，永磁体嵌在线圈骨架内部，用以消除超磁致伸缩棒的倍频效应。
优选地，该超磁致伸缩棒为圆柱体，或方柱体，或其它任意形状。
优选地，该超磁致伸缩棒采用超磁致伸缩材料。
优选地，该超磁致伸缩单元的数量为4个，激励时，在4个超磁致伸缩单元上施加有一定相位差的正弦激励信号，其中，相邻超磁致伸缩单元的激励信号间的相位差为45度，对称超磁致伸缩单元的激励信号间的相位差为90度。
优选地，该超磁致伸缩单元的数量为6个，激励时，在6个超磁致伸缩单元上施加有一定相位差的正弦激励信号，其中，相邻超磁致伸缩单元的激励信号间的相位差为30度，依圆周方向同时增加或减少，对称超磁致伸缩单元的激励信号间的相位差为90度。
优选地，该定子和转子的接触表面为锥形面。
优选地，该定子和转子之间设置有用以驱动转子旋转的摩擦材料，摩擦材料设置在定子和/或转子的接触表面上。
优选地，该弹簧固定件为轴端挡圈，固定件为螺母，弹簧采用蝶形弹簧。
以上，本发明为了克服压电材料应用在振动旋转电机上的不足，提出了一种基于超磁致伸缩材料的微型旋转电机。该电机的超磁致伸缩单元在激励信号的作用下会伸长变形，变形量与所施加的激励信号信号大小有关。
对于四个超磁致伸缩单元的电机结构，激励时，在四个超磁致伸缩单元上施加有一定相位差的正弦激励信号：相邻单元激励信号间的相位差为45度，对称单元激励信号间的相位差为90度。超磁致伸缩材料不具有方向性，磁致伸缩棒会在外磁场的作用下伸长。对称的超磁致伸缩单元会交替地伸长和缩短，构成了定子的一相弯曲振动。同样，另外两个对称的超磁致伸缩单元构成了定子的另一相弯曲振动。两个弯曲振动存在45度相位差，合称为定子的弯曲摇头振动。
该电机也可由多个超磁致伸缩单元构成，当采用六个超磁致伸缩单元时，其工作原理与4个超磁致伸缩单元基本相同，但是其驱动信号的相位差变为30度，依圆周方向同时增加或减少，且保证对称单元激励信号间的相位差为90度。
由于超磁致伸缩棒相对细长，变形量大，因而该电机可以在非共振状态下良好工作。该电机也可工作在电机定子的一阶弯曲共振频率下，在更低的驱动电压下获得更大的振幅，提高电机的效率。
由于超磁致伸缩材料的仅对磁场强度敏感，对方向不敏感，因而电机出现了倍频现象，即在一个信号周期里，电机定子摇头两圈。为了克服倍频现象，本发明还在线圈骨架的内部嵌入永磁体，预加一个磁场，强度等于或略大于激励信号的幅值，纠正倍频现象。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明提出了一种利用超磁致伸缩材料构造振动旋转的基于超磁致伸缩材料的旋转电机，与压电超声波电机相比，在保持其高精度、无噪声、响应快等特点的同时，还具有负载能力大、工作频带宽、稳定性好、可靠性高、无疲劳、无过热失效等优点。可广泛应用于航空航天、电子、生物、医疗、通信、机器人、高精度加工、工业控制、精密仪器仪表和汽车等领域。
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为本发明基于超磁致伸缩材料的旋转电机的结构剖视图；
图2为本发明实施例的定子的结构示意图；
图3为本发明实施例的超磁致伸缩单元的结构剖视图；
图4为本发明实施例的四路电磁线圈中输入的电流和时间关系示意图；
图5为本发明实施例的定子的振动示意图。
图中：1为超磁致伸缩单元，2为定子驱动端，3为螺母，4为转子，5为弹簧，6为轴端挡圈，7为输出轴，11为超磁致伸缩棒，12为阻磁外壳，13为线圈骨架，14为线圈，15为凸台，41为第一路激励信号，42为第二路激励信号，43为第三路激励信号，44为第四路激励信号。
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。
请参阅图1至图3，一种基于超磁致伸缩材料的旋转电机，包括：预压力系统、定子和两个转子4，预压力系统包括输出轴7、两个弹簧5和两个弹簧固定件，弹簧固定件采用轴端挡圈6。转子4连接至定子的两端，输出轴7穿射于定子和转子4的中心分别与定子和转子4套接连接，弹簧5采用蝶形弹簧，其套接至输出轴7的两端，且紧压转子4，轴端挡圈6与输出轴7连接紧压弹簧5，轴向固定弹簧5。定子包括两个定子驱动端2、4个超磁致伸缩单元1和4个固定件，固定件为螺母3。4个磁致伸缩单元1均匀设置在两个定子驱动端2之间且两端分别通过螺母3与定子驱动端2连接，定子通过摩擦驱动转子4旋转。
定子和转子4的接触表面为锥形面，定子和转子4之间还设置有用以驱动转子4旋转的摩擦材料，摩擦材料可单独贴在定子或转子4表面，也可在定子、转子4的接触表面上分别粘贴不同的摩擦材料构成摩擦副。定子驱动端2通过摩擦作用驱动转子4旋转。
超磁致伸缩单元1包括：超磁致伸缩棒11、线圈骨架13、线圈14和阻磁外壳12，超磁致伸缩棒11中部设置有凸台15，线圈骨架13为导磁材料，其与凸台15固接连接，具体线圈骨架13可以粘在凸台15上，也可以用螺钉固定。线圈14为导磁线圈，其绕在线圈骨架13上。阻磁外壳12设置在线圈14外侧且与线圈骨架13连接，其为非导磁材料用以减小各个线圈中的电流产生的磁场间的相互干扰。
进一步地，为了消除超磁致伸缩棒的倍频效应，超磁致伸缩单元1还可以包括永磁体，永磁体嵌在线圈骨架12内部。
更为具体地，超磁致伸缩棒11采用超磁致伸缩材料，其可以为圆柱体、方柱体，或其它任意形状的柱体。该材料于1987年实现商品化生产，典型成分为TbxDy1-xFe2-y，其中x的范围为0.27-0.35，y为0.1-0.05。该材料的典型商品型号有Terfenol-D和Magmek86，其代表成分依次为Tb0.27Dy0.73Fe2和Tb0.27Dy0.73Fe1.93。
本实例中，弹簧固定件采用轴端挡圈6，固定件采用螺母3。但是，需要说明的是，本发明并不限定弹簧固定件和固定件的具体形式，现有技术中任何能够实现固定弹簧5，以及将超磁致伸缩单元1固定在两个定子驱动端2上的连接方式均应落在本发明的保护范围内，以上弹簧固定件采用轴端挡圈6，固定件采用螺母3只是一个实例，并不用于限定本发明。
以下同时图1至图5具体说明本发明的工作过程：
本实例中，超磁致伸缩单元11的数量为4个，激励时，在4个超磁致伸缩单元上施加有一定相位差的正弦激励信号，相邻超磁致伸缩单元11的激励信号间的相位差为45度，对称超磁致伸缩单元11的激励信号间的相位差为90度。如图4所示，四路电磁线圈中输入的电流和时间关系如图所示，按照顺时针方向41为第一路信号Asin(ωt)，42为第二路激励信号Asin(ωt+π/4)，43为第三路激励信号Asin(ωt+π/2)，43为第四路激励信号Asin(ωt+3π/4)。线圈通电后会产生交变的磁场，四个超磁致伸缩棒都会发生不同程度的伸长变形，从而转化为定子的弯曲摇头振动（如图5所示），定子通过摩擦驱动转子4旋转。
超磁致伸缩材料不具有方向性，超磁致伸缩棒11会在外磁场的作用下伸长。对称的超磁致伸缩单元1会交替地伸长和缩短，构成了定子的一相弯曲振动。同样，另外两个对称的超磁致伸缩单元1构成了定子的另一相弯曲振动。两个弯曲振动存在45度相位差，合称为定子的弯曲摇头振动。
本实例中，超磁致伸缩单元11的数量为4个。需要说明的是，本发明的超磁致伸缩单元11的数量为不只限于4个，还可以为多个，例如，超磁致伸缩单元的数量还可以为6个，此时，激励时，相邻超磁致伸缩单元的激励信号间的相位差为30度，依圆周方向同时增加或减少，对称超磁致伸缩单元的激励信号间的相位差为90度。因此，实际应用中，可根据需要具体设定超磁致伸缩单元11的数量，只要保证合适的肌力信号相位差即可。以上采用4个超磁致伸缩单元11只是一个实例，并不用于限定本发明。
本发明为了克服压电材料应用在振动旋转电机上的不足，提出了一种基于超磁致伸缩材料的微型旋转电机。该电机的超磁致伸缩单元在激励信号的作用下会伸长变形，变形量与所施加的激励信号信号大小有关。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明提出了一种利用超磁致伸缩材料构造振动旋转的基于超磁致伸缩材料的旋转电机，与压电超声波电机相比，在保持其高精度、无噪声、响应快等特点的同时，还具有负载能力大、工作频带宽、稳定性好、可靠性高、无疲劳、无过热失效等优点。可广泛应用于航空航天、电子、生物、医疗、通信、机器人、高精度加工、工业控制、精密仪器仪表和汽车等领域。
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 (7)
1.一种基于超磁致伸缩材料的旋转电机，包括：预压力系统、定子和两个转子，所述预压力系统包括输出轴、两个弹簧和两个弹簧固定件，所述转子连接至所述定子的两端，所述输出轴穿射于所述定子和转子的中心分别与所述定子和转子套接连接，所述弹簧套接至所述输出轴的两端，且紧压所述转子，所述弹簧固定件与所述输出轴连接紧压所述弹簧；其特征在于，所述定子包括两个定子驱动端、若干个超磁致伸缩单元和若干固定件，所述各超磁致伸缩单元均匀设置在所述两个定子驱动端之间且两端分别通过所述固定件与所述定子驱动端连接，定子通过摩擦驱动转子旋转；所述超磁致伸缩单元包括：超磁致伸缩棒、线圈骨架、线圈和阻磁外壳，所述超磁致伸缩棒中部设置有凸台，所述线圈骨架与所述凸台固接连接，所述线圈与所述线圈骨架绕接连接，所述阻磁外壳设置在所述线圈外侧且与所述线圈骨架连接；其中：
所述超磁致伸缩单元的数量为4个，激励时，在4个超磁致伸缩单元上施加有一定相位差的正弦激励信号，其中，相邻超磁致伸缩单元的激励信号间的相位差为45度，对称超磁致伸缩单元的激励信号间的相位差为90度；或，
所述超磁致伸缩单元的数量为6个，激励时，在6个超磁致伸缩单元上施加有一定相位差的正弦激励信号，其中，相邻超磁致伸缩单元的激励信号间的相位差为30度，依圆周方向同时增加或减少，对称超磁致伸缩单元的激励信号间的相位差为90度。
2.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的旋转电机，其特征在于，所述超磁致伸缩棒为圆柱体，或方柱体，或其它任意形状。
3.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的旋转电机，其特征在于，所述超磁致伸缩棒采用超磁致伸缩材料。
4.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的旋转电机，其特征在于，所述定子和转子的接触表面为锥形面。
5.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的旋转电机，其特征在于，所述定子和转子之间设置有用以驱动转子旋转的摩擦材料，所述摩擦材料设置在所述定子和/或转子的接触表面上。
6.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的旋转电机，其特征在于，所述弹簧固定件为轴端挡圈，所述固定件为螺母。
7.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的旋转电机，其特征在于，所述超磁致伸缩单元还包括永磁体，所述永磁体嵌在所述线圈骨架内部，用以消除所述超磁致伸缩棒的倍频效应。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150826 Termination date: 20171107 |