CN103888017A - 磁致伸缩作动器和磁致伸缩作动器试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁致伸缩作动器和磁致伸缩作动器试验平台。磁致伸缩作动器包括：壳体；磁致伸缩棒，其能在磁场的作用下伸缩并且被收容在壳体内；导出杆；线圈支撑套，其包围磁致伸缩棒设置，并且在其周围缠绕有磁场线圈，当该磁场线圈通电时产生使得磁致伸缩棒伸缩作动的磁场；磁致伸缩棒的伸缩作动方向上的两端分别设置有至少一个偏置永磁体，以使磁致伸缩棒在磁致伸缩棒的伸缩作动方向上介于位于两端的偏置永磁体之间的方式布置，从而在磁致伸缩棒的伸缩作动方向上产生磁场。利用本发明的磁致伸缩作动器和磁致伸缩作动器试验平台能够有效地提取非线性敏感参数及失稳边界，对磁致伸缩棒进行各种非线性机理试验。

Description

磁致伸缩作动器和磁致伸缩作动器试验平台

技术领域

本发明涉及一种磁致伸缩作动器和磁致伸缩作动器试验平台。

背景技术

现代工业和科学技术的发展对产品的动态性能提出了更高的要求，有的甚至要求振幅达到微米级，传统被动减振技术已经远远的不能够满足振动要求，经过几十年的研究和发展，诞生了基于液压作动、气动作动、电磁作动、智能材料作动等振动主动抑制方法和系统，其中磁致伸缩作动器磁致伸缩作动器因其具有频响快、出力大、能量密度高等独特优点脱颖而出，成为目前研究的热点。自诞生以来就在振动主动控制，换能等方面受到了广泛关注和研究。在航空航天、精密仪器、车辆悬挂、超精密加工等领域做了大量理论和应用研究，成果颇丰。但由于在机理上典型非线性因素的存在，导致超磁致伸缩作动器的应用存在重大非线性失稳隐患，严重制约了其在重要设备上的使用和推广，

由于非线性因素的存在，作动器的输出不但不能线性复现控制指令而影响抑振效果，而且可能导致失稳。失稳的结果是可怕的，其不但不能对振动产生抑制，而且会带来极大的破坏。目前，基于磁致伸缩作动器的振动主动控制策略的研究取得了很大的进展，但是非线性失稳的问题是无法回避的。无论采用何种控制算法，都是希望采用非线性控制理论方法来提高作动器跟踪精度进而达到提高抑振效果目的，但前提是作动器的动态行为是可控的，否则这些控制方法无法给出策略应对。因此开展非线性研究无疑是必要的，但是目前尚没有非线性机理研究平台，无法提取非线性敏感参数，更无法研究非线性失稳边界条件。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种磁致伸缩作动器和磁致伸缩作动器试验平台，其能够有效地提取非线性敏感参数及失稳边界，能够对磁致伸缩作动器的非线性机理进行有效验证和/或试验。

为此，本发明提供一种磁致伸缩作动器，包括：壳体，其内形成一个收容空间并且两端分别用盖封闭；磁致伸缩棒，其能在磁场的作用下伸缩并且被收容在壳体内；导出杆，其以力传动的方式安装于磁致伸缩棒，其能接受磁致伸缩棒的伸缩作动；线圈支撑套，其包围磁致伸缩棒设置，并且在其周围缠绕有磁场线圈，当该磁场线圈通电时产生使得磁致伸缩棒伸缩作动的磁场；磁致伸缩棒的伸缩作动方向上的两端分别设置有至少一个偏置永磁体，以使磁致伸缩棒在磁致伸缩棒的伸缩作动方向上介于位于两端的偏置永磁体之间的方式布置，从而在磁致伸缩棒的伸缩作动方向上产生磁场。

作为优选，偏置永磁体在与磁致伸缩棒的伸缩作动方向垂直方向上的长度比磁致伸缩棒的相同方向上的长度大，以适于在磁致伸缩棒的伸缩作动方向上产生均匀磁场。

作为优选，导出杆经由第一过渡件安装于磁致伸缩棒的一端，第一过渡件设置有收容凹部，位于一端的偏置永磁体收容在该收容凹部中，磁致伸缩棒的另一端经由第二过渡件安装于壳体的盖，第二过渡件与该盖之间形成用于收容另一偏置永磁体的收容凹部。

作为优选，磁致伸缩作动器还包括与磁致伸缩棒间隙配合的冷却水套，冷却水套用于通冷却流以实现对磁致伸缩棒的冷却，冷却水套特别地设置有多个槽，通过所述槽来设置用于测量磁致伸缩棒的应变和/或温度的传感器。

作为优选，磁致伸缩作动器还包括摩擦施加部，用于调整作用于磁致伸缩作动器上摩擦力的大小，摩擦施加部特别地包括摩擦部和调整螺栓，摩擦部抵接导出杆外周以适于摩擦干涉导出杆，摩擦部特别地摩擦片和摩擦调节器，调整螺栓与摩擦片螺纹接合以适于调整摩擦片与导出杆之间的作用力，摩擦施加部特别地还包括适于检测摩擦片和导出杆之间作用力的摩擦力传感器。

作为优选，壳体在磁致伸缩棒的布置导出杆的一侧的相反侧布置有通孔，该通孔适于插入特斯拉计，以便于直接检测磁致伸缩棒所受磁场的强度。

作为优选，导出杆与壳体的上端盖之间设置有预压弹簧，以适于通过调整预紧压盖改变预压弹簧的预压力，导出杆与壳体的上盖之间特别地还设置有力传感器，以能够检测作用在预压弹簧上的力的大小。

根据本发明的另一方面，本发明还一种磁致伸缩作动器试验平台，其包括上述磁致伸缩作动器，所述磁致伸缩作动器试验平台以竖直方式布置，使得磁致伸缩棒和导出杆以在竖直方向上延伸的方式布置，在导出杆的上端还包括惯性平台，惯性平台上载置有适于模拟外界负载变化的惯性质量。

作为优选，磁致伸缩作动器试验平台还包括测控计算机，其通过A/D接口电路采集设置磁致伸缩作动器和/或磁致伸缩作动器试验平台的感应部件的信息，通过D/A接口电路控制磁致伸缩作动器和/或磁致伸缩作动器试验平台的相应的参数。

在本发明中，非线性敏感参数包括磁致伸缩作动器的预压弹簧刚度、外负载、温度、干摩擦及磁滞等因素。

根据本发明的磁致伸缩作动器和磁致伸缩作动器试验平台能够提取非线性敏感参数及失稳边界；能够为磁致伸缩作动器非线性动力学机理的提供综合验证。本发明为敏感参数可观测、结构采用柔性设计的开放式非线性机理验证平台，通过实验对磁致伸缩作动器典型非线性动力学行为进行复现和验证，为磁致伸缩作动器的设计及安全可靠运行提供理论依据和技术支撑，对促进其最终走向广泛应用具有重要意义。

本发明具有开放性、柔性设计、精度高等诸多优点，采用闭环控制系统，敏感参数可观测，可检测全非线性因素失稳边界条件，为研究磁致伸缩作动器的稳定裕度及磁致伸缩作动器设计安全可靠运行提供理论依据和技术支撑。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的磁致伸缩作动器结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施方式的磁致伸缩作动器试验平台的机械结构示意图；

图3是是根据本发明的一个实施方式的磁致伸缩作动器试验平台的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明根据本发明的实施方式。

如图1所示，磁致伸缩作动器包括：壳体10，其内形成一个收容空间并且两端分别用端盖12、14封闭；磁致伸缩棒16，其能在磁场的作用下伸缩并且被收容在壳体10内；导出杆18，其以力传动的方式安装于磁致伸缩棒16，其能接受磁致伸缩棒的伸缩作动；线圈支撑套18，其包围磁致伸缩棒16设置，并且在其周围缠绕有磁场线圈24，当该磁场线圈24通电时产生使得磁致伸缩棒16伸缩作动的磁场；磁致伸缩棒16的伸缩作动方向上的两端分别设置有至少一个偏置永磁体20、22，以使磁致伸缩棒在磁致伸缩棒的伸缩作动方向上介于位于两端的偏置永磁体20、22之间的方式布置，从而在磁致伸缩棒的伸缩作动方向上产生磁场，其中偏置永磁体在与磁致伸缩棒的伸缩作动方向垂直方向上的长度比磁致伸缩棒的相同方向上的长度大。

磁场线圈24匝数优化分布，以使线圈支撑套18内的磁致伸缩棒16处在均匀的激励磁场中。在图示的实施方式中，示出有两个偏置永磁体20、22，即上偏置永磁体20和下偏置永磁体22。偏置永磁体的尺寸适于在磁致伸缩棒16的伸缩作动方向上产生均匀磁场。优选地，偏置永磁体在与磁致伸缩棒的伸缩作动方向垂直方向上的长度比磁致伸缩棒的相同方向上的长度大。与围绕磁致伸缩棒16布置的圆筒形永磁铁所产生偏置磁场相比，该方式易于获得较均匀的磁场且其磁阻很小。

导出杆18经由第一过渡件26安装于磁致伸缩棒16的一端，第一过渡件26设置有收容凹部，位于一端的偏置永磁体20收容在该收容凹部中，磁致伸缩棒16的另一端经由第二过渡件28安装于壳体10的盖14，第二过渡件28与该盖14之间形成用于收容另一偏置永磁体22的收容凹部。

磁致伸缩作动器还包括与磁致伸缩棒16间隙配合的冷却水套30，冷却水套30用于通冷却流通对磁致伸缩棒进行冷却，冷却水套设置有多个槽，通过所述槽来设置用于测量磁致伸缩棒的应变和/或温度的传感器。优选地，冷却水套30与线圈支撑套18之间设计有间隙，在不破拆磁路结构的前提下，可自由更换传感器，符合柔性理念。冷却水套30设计有优化矩形槽，冷却水套30与磁致伸缩棒16间隙配合。在图示的实施方式中，冷却水套30上下两个矩形槽布置有应变片32、34，应变片32、34黏贴在磁致伸缩棒16上，以检测磁致伸缩棒16的变形。应变片的数量可以不是两个，而是多个。传感器的类型也不必是应变片，可以是其它类型的应变传感器。在中间矩形槽内设计有温度传感器36。由于温度对磁致伸缩特性影响较大，因此采用水冷的方式对磁致伸缩棒16进行冷却，并且温度传感器36对磁滞伸缩棒16的温度实时检测，一方面使其发挥出最佳特性，另一方面，可以改变温度，研究温度对磁致伸缩作动器的影响。

磁致伸缩作动器还包括摩擦施加部，用于调整作用于磁致伸缩作动器上的摩擦力的大小。摩擦施加部特别地包括摩擦部和调整螺栓，摩擦部抵接导出杆外周以适于摩擦干涉导出杆，摩擦部特别地摩擦片和摩擦调节器，调整螺栓与摩擦片螺纹接合以适于调整摩擦片与导出杆之间的作用力，摩擦施加部特别地还包括适于检测摩擦片和导出杆之间的作用力的摩擦力传感器在图示的实施方式中，摩擦施加部包括摩擦片40、摩擦调节器44和调整螺栓42，摩擦片40抵接导出杆18外周以适于摩擦干涉导出杆18。调整螺栓42与摩擦片40螺纹接合以适于调整摩擦片40与导出杆18之间的作用力。调整螺栓42被固定于摩擦调节器44的凸缘部，摩擦调节器44的基部与导出杆18外周接触。通过调节调整螺栓42的预紧力，能够有效地设定摩擦施加部与磁致伸缩作动器之间的干摩擦力的大小。在试验时，可根据实际需要设定干摩擦力的大小。摩擦施加部特别地还包括适于检测摩擦片和导出杆之间作用力的摩擦力传感器45。

在图示的实施方式中，壳体10在磁致伸缩棒16的一侧布置有通孔46，该通孔适于插入特斯拉计，以便于直接检测磁致伸缩棒所受磁场的强度。通孔也可以采用其他形式设置。特斯拉计可直接通过深入通孔46检测磁致伸缩棒16所受磁场，该检测方式与其它间接检测方式或者间隔一定距离检测更为精确。

导出杆18与预紧压盖12之间设置有预压弹簧48，以适于通过调整预紧压盖12改变预压弹簧的预压力，导出杆与壳体的一个盖之间特别地还设置有力传感器50，以能够检测作用在预压弹簧48上的力的大小。

图2是根据本发明的一个实施方式的磁致伸缩作动器试验平台的机械结构示意图；图3是是根据本发明的一个实施方式的磁致伸缩作动器试验平台的结构示意图。如图中所示，磁致伸缩作动器试验平台包括磁致伸缩作动器，磁致伸缩作动器试验平台以竖直方式布置，使得磁致伸缩棒16和导出杆18以在竖直方向上延伸的方式布置，在导出杆18的上端还包括惯性平台2，惯性平台2上载置有适于模拟外界负载变化的惯性质量4，惯性质量4通过布置在惯性平台2顶端的螺母进行固定。磁致伸缩作动器的下盖14（底座）被支承在支撑平台6上。支撑平台6设置有与磁致伸缩作动器布置方向平行地延伸的导向杆8，导向杆8的一端固定到惯性平台2，另一端固定到支撑平台6。导向杆8的布置使得惯性平台2上下运动时更为平稳。

如图所示，磁致伸缩作动器试验平台还包括控制系统，测控计算机通过A/D接口电路采集位置传感器、力传感器、特斯拉计、应变片、温度传感器的信息，通过D/A接口电路控制磁场大小，组成闭环控制系统，控制精度高。

根据本发明的磁致伸缩作动器试验平台能够提取包含非线性预压弹簧刚度、干摩擦、温度、外负载及磁滞等因素非线性敏感参数及失稳边界，该实验平台的结构设计采用开放式柔性设计，适用于全非线性因素的测量，并且可根据需要改变外界条件，真实反映失稳条件；所述磁致伸缩作动器非线性机理验证平台采用上下两片永永磁体提供偏置磁场，与圆筒形永磁铁产生偏置磁场，该方式易于获得较均匀的磁场且其磁阻很小。

磁致伸缩作动器试验平台的一个示例性实施方式的工作方式如下，也可以其他方式工作。

测控计算机通过控制磁场线圈24中的电流，从而控制磁致伸缩棒16的磁场，上偏置永磁体20与下偏置永磁体22构成偏置闭合磁路，当磁场线圈24中的电流为零时，磁致伸缩棒16受偏置磁场和预压力的作用而表现为预压缩，当磁场线圈24中的电流不为零时，磁滞伸缩棒16伸长，因此，当磁场线圈24中通过交变电流，磁场线圈24产生交变磁场，磁致伸缩棒16随之伸缩，磁致伸缩棒16通过导出杆18将运动传递给惯性平台2，惯性平台2随之上下运动。

由于温度对磁致伸缩特性影响较大，因此采用水冷的方式对磁致伸缩棒进行冷却，并且温度传感器36对磁滞伸缩棒16的温度实时检测，一方面使其发挥出最佳特性，另一方面，可以改变温度，研究温度对磁致伸缩作动器的影响。

磁致伸缩棒16底部的特斯拉计9检测磁场强度，并传送给控制计算机，控制计算机处理信息后控制磁场线圈24电流的大小，构成磁场闭环控制，因此该磁场的控制精度高，对研究磁致伸缩特性非常有利。

磁致伸缩棒16上下两端贴有应变片32、34，实时检测磁致伸缩棒16的位移变化，与传统的间接检测相比更为精确，并且在磁致伸缩作动器输出端设计有位置传感器17，检测输出位移，测控计算机对输出位移和磁致伸缩棒16自身的伸长实时对比。

预压弹簧（蝶簧）48为磁致伸缩棒16提供预压力，可以在不破拆的情况下，仅仅调整预紧压盖12，就可以调整预压力，力传感器50实时将力的大小传递给控制计算机，并显示力的大小，改变预压力的大小，可以检测预压力对磁滞伸缩材料特性的影响。

摩擦施加器为磁致伸缩棒16提供干摩擦，可以在不破拆的情况下，仅仅通过调整螺栓42，就可以调整摩擦力的大小，摩擦力传感器46实时将力的大小传递给控制计算机，并显示力的大小，改变摩擦力的大小，可以检测干摩擦对磁滞伸缩材料特性的影响。

为了研究负载对磁致伸缩作动器的影响，可以在惯性平台2上改变惯性质量4，从而得到负载对磁滞伸缩材料特性的影响。

本发明可以提取包含非线性预压弹簧刚度、干摩擦、温度、负载及磁滞等因素非线性敏感参数及失稳边界，研究发现在预压力为6Mpa时磁致伸缩特性最佳，因此在研究其它非线性因素如干摩擦、温度、负载等对磁致伸缩作动器的影响时，可以在预压力为6Mpa下进行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种磁致伸缩作动器，其特征在于，包括：

壳体，其内形成一个收容空间并且两端分别用盖封闭；

磁致伸缩棒，其能在磁场的作用下伸缩并且被收容在壳体内；

导出杆，其以力传动的方式安装于磁致伸缩棒，其能接受磁致伸缩棒的伸缩作动；

线圈支撑套，其包围磁致伸缩棒设置，并且在其周围缠绕有磁场线圈，当该磁场线圈通电时产生使得磁致伸缩棒伸缩作动的磁场；

磁致伸缩棒的伸缩作动方向上的两端分别设置有至少一个偏置永磁体，以使磁致伸缩棒在磁致伸缩棒的伸缩作动方向上介于位于两端的偏置永磁体之间的方式布置，从而在磁致伸缩棒的伸缩作动方向上产生磁场。

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩作动器，其特征在于，其中偏置永磁体在与磁致伸缩棒的伸缩作动方向垂直方向上的长度比磁致伸缩棒的相同方向上的长度大，以适于在磁致伸缩棒的伸缩作动方向上产生均匀磁场。

3.根据权利要求1所述的磁致伸缩作动器，其特征在于，导出杆经由第一过渡件安装于磁致伸缩棒的一端，第一过渡件设置有收容凹部，位于一端的偏置永磁体收容在该收容凹部中，磁致伸缩棒的另一端经由第二过渡件安装于壳体的盖，第二过渡件与该盖之间形成用于收容另一偏置永磁体的收容凹部。

4.根据权利要求1所述的磁致伸缩作动器，其特征在于，还包括与磁致伸缩棒间隙配合的冷却水套，通过冷却水套中通冷却流对磁致伸缩棒进行冷却，冷却水套特别地设置有多个槽，通过所述槽来设置用于测量磁致伸缩棒的应变和/或温度的传感器。

5.根据权利要求1所述的磁致伸缩作动器，其特征在于，还包括摩擦施加部，用于调整作用于磁致伸缩作动器上的摩擦力的大小，摩擦施加部特别地包括摩擦部和调整螺栓，摩擦部抵接导出杆外周以适于摩擦干涉导出杆，摩擦部特别地摩擦片和摩擦调节器，调整螺栓与摩擦片螺纹接合以适于调整摩擦片与导出杆之间的作用力，摩擦施加部特别地还包括适于检测摩擦片和导出杆之间的作用力的摩擦力传感器。

6.根据权利要求3所述的磁致伸缩作动器，其特征在于，壳体在磁致伸缩棒的布置导出杆的一侧的相反侧布置有通孔，该通孔适于插入特斯拉计，以便于直接检测磁致伸缩棒所受磁场的强度。

7.根据权利要求1所述的磁致伸缩作动器，其特征在于，导出杆与壳体的上端盖之间设置有预压弹簧，以适于通过调整预紧压盖改变预压弹簧的预压力，导出杆与壳体的一个盖之间特别地还设置有力传感器，以能够检测作用在预压弹簧上的力的大小。

8.一种磁致伸缩作动器试验平台，其包括权利要求1-6中任一项所述的磁致伸缩作动器，所述磁致伸缩作动器试验平台以竖直方式布置，使得磁致伸缩棒和导出杆以在竖直方向上延伸的方式布置，在导出杆的上端还包括惯性平台，惯性平台上载置有适于模拟外界负载变化的惯性质量。

9.根据权利要求8所述的磁致伸缩作动器试验平台，还包括测控计算机，其通过A/D接口电路采集设置磁致伸缩作动器和/或磁致伸缩作动器试验平台的感应部件的信息，通过D/A接口电路控制磁致伸缩作动器和/或磁致伸缩作动器试验平台的相应的参数。

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