CN103916042B - 铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器，包括旋转电机和驱动器；所述驱动器包括上导磁铁芯（1）和下导磁铁芯（3），所述上导磁铁芯（1）和下导磁铁芯（3）之间设置有空隙，所述上导磁铁芯（1）和下导磁铁芯（3）之间的空隙内设置有相互平行的永磁体（4）和铁镓合金（5）；所述铁镓合金（5）贯穿上导磁铁芯（1）；相对于上导磁铁芯（1）和下导磁铁芯（3）之间的空隙，在旋转电机的输出轴上设置有动子铁芯（6）与该空隙间隙配合。

Description

铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器和使用方法

技术领域

本发明涉及一种能实现微米定位精度磁致伸缩驱动器，特别是利用永磁体为铁镓合金磁致伸缩材料提供驱动磁场，利用磁致伸缩材料逆磁滞效应改变铁镓合金驱动磁场，从而改变铁镓合金伸缩长度，执行器可以串联使用，通过旋转电机驱动直接实现微米级大行程定位。

背景技术

智能材料，如压电陶瓷和磁致伸缩材料，能实现微米级定位。压电陶瓷施加电压后，通过压电正向效应(压电陶瓷的逆向效应)，实现微位移定位，通过位移放大机构或者叠装方式(位移放大机构，即柔性铰链，把压电陶瓷的小位移，通过柔性铰链放大输出)。压电陶瓷制动器是压电陶瓷片一片一片叠装在一起的。每一片都可实现一定最大微位移输出。很多片叠装在一起就可以实现大位移输出。

实现较大定位行程。压电陶瓷不足之处是材料本身比较脆，切向承受负载力有限。区别于压电陶瓷，磁致伸缩材料通过施加磁场，利用磁致效应实现微位移定位。常用的磁致伸缩材料有Terfenol_D和铁镓合金Galfenol，其中，铁镓合金Galfenol磁致伸缩材料坚固，能承受较大的不同方向的负载力，而且压力退火类型的Galfenol可以在无预压力情况下正常工作。

专利(申请号200610150582.7,授权公告号CN101166005)利用磁致伸缩材料结合微位移放大机构，通过调节电流实现微位移可调驱动器。专利(申请号200710125011.2，公开号CN101188874)采用永磁体为磁致伸缩材料提供励磁磁场。通过线圈电流改变磁致伸缩材料内磁场，实现微小位移驱动。专利(申请号200410090867.7，公开号CN1619938)利用线圈驱动磁致伸缩材料作为行程方向驱动，利用压电陶瓷做箍位，实现长距离高精度定位。专利(申请号200510056369.5，公开号：CN1670977)将施加静态偏置磁场永磁体放置在外壳上，线圈及磁致伸缩材料放置在内部，实现微位移驱动。

目前，磁致伸缩驱动器利用磁致伸缩驱动器正向效应，采用永磁体提供静态偏置磁场，调节线圈电流改变磁致伸缩材料中的磁密，实现微位移调整。这种驱动方式的不足之处在于能耗大，温度高。磁致伸缩材料磁导率通常较低，这就需要较多的安匝数驱动，线圈中电流会产生热损耗。在实际使用中往往加入额外的散热冷却装置保证执行器的稳定工作。而且目前使用的磁致伸缩驱动器多数只是单台使用，不能像压电陶瓷一样通过多片叠装方式实现大行程控制。

如果将线圈驱动的磁致伸缩驱动器串联使用，实现大行程，其每一级的温度影响直接影响最终定位精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器和使用方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器，包括旋转电机和驱动器；所述驱动器包括上导磁铁芯和下导磁铁芯，所述上导磁铁芯和下导磁铁芯之间设置有空隙，所述上导磁铁芯和下导磁铁芯之间的空隙内设置有相互平行的永磁体和铁镓合金；所述铁镓合金贯穿上导磁铁芯；相对于上导磁铁芯和下导磁铁芯之间的空隙，在旋转电机的输出轴上设置有动子铁芯与该空隙间隙配合。

作为对本发明所述的铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器的改进：所述铁镓合金贯穿上导磁铁芯的一端设置有导磁压柱。

作为对本发明所述的铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器的进一步改进：所述至少两个驱动器相互串联配合；所述导磁压柱与下导磁铁芯的外侧面相互固定后形成串联；相对驱动器，在旋转电机的输出轴上分别设置对应的动子铁芯。

作为对本发明所述的铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器的进一步改进：所述动子铁芯之间的长度为梯度分布。

作为对本发明所述的铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器的进一步改进：所述动子铁芯的一侧边相互对齐。

作为对本发明所述的铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器的进一步改进：所述永磁体轴向充磁。

铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器的使用方法：所述上导磁铁芯、铁镓合金和下导磁铁芯通过永磁体形成磁回路Ⅱ；所述上导磁铁芯、动子铁芯和下导磁铁芯通过永磁体形成磁回路Ⅰ；旋转电机的输出轴带动动子铁芯转动，动子铁芯在上导磁铁芯和下导磁铁芯之间的空隙内循环的进与出，并使得磁回路Ⅰ的磁阻按照动子铁芯的转动而改变，继而改变磁回路Ⅱ的磁通，从而使得铁镓合金发生形变，形成导磁压柱的收缩或伸长。

作为对本发明所述的铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器的使用方法的改进：其特征是：至少两个驱动器相互配合使用时，第一个驱动器的导磁压柱收缩或伸长的同时，另外的驱动器的导磁压柱也收缩或伸长。

作为对本发明所述的铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器的使用方法的进一步改进：所述动子铁芯之间的梯度分布，决定驱动器的导磁压柱的收缩或伸长的先后顺序。

本发明利用永磁体为铁镓合金磁致伸缩材料提供驱动磁场，利用磁致伸缩材料逆磁滞效应改变铁镓合金驱动磁场，从而改变铁镓合金伸缩长度，直接通过旋转电机转动改变动子铁芯位置，可以实现铁镓合金微米级控制。线圈只存在常规驱动器中，其产生的热量不会影响磁致伸缩材料。因此，执行器工作稳定，适合高精度定位需求。而且，本发明驱动器结构另一个优点是转子铁芯位置的改变引起磁阻线性变化，铁芯转动位移与磁致伸缩驱动器伸缩位移成线性关系。本发明的驱动器结构可实现多台执行器串联工作方式，不采用蠕虫步进驱动方式和位移放大装置既可以实现微米级下的大行程定位。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明的铁镓合金驱动器结构视图；

图2为本发明的铁镓合金驱动器立体图；

图3为本发明的转子立体图；

图4为本发明的逆磁致伸缩驱动器；

图5为转子驱动器Ⅰ11的动子铁芯进入驱动器Ⅰ11状态时立体图；

图6为转子驱动器Ⅱ12的动子铁芯进入驱动器Ⅱ12状态时立体图；

图7为转子驱动器Ⅰ11和Ⅱ动子铁芯进入全部进入驱动器状态时立体图。

具体实施方式

实施例1、图1～图7给出了一种铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器和使用方法；铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器，包括旋转电机10和驱动器；驱动器包括上导磁铁芯1和

下导磁铁芯3，上导磁铁芯1和下导磁铁芯3之间设置有空隙，上导磁铁芯1和下导磁铁芯3之间的空隙内设置有相互平行的永磁体4(充磁方向为轴向的)和铁镓合金5；铁镓合金5分别贯穿上导磁铁芯1和下导磁铁芯3；相对于上导磁铁芯1和下导磁铁芯3之间的空隙，在旋转电机10的输出轴7上设置有动子铁芯6与该空隙间隙配合。铁镓合金5贯穿上导磁铁芯1的一端设置有导磁压柱2，通过导磁压柱2作为输出铁镓合金微位移。

多个驱动器串联使用的时候，导磁压柱2与铁镓合金5贯穿下导磁铁芯3的一端相互串联；相对驱动器，在旋转电机10的输出轴7上分别设置对应的动子铁芯6；多个驱动器的动子铁芯6的一侧边相互对齐，并且相互之间的长度呈梯度分布。

本发明中，上导磁铁芯1、铁镓合金5和下导磁铁芯3通过永磁体4形成磁回路Ⅱ14；上导磁铁芯1、动子铁芯6和下导磁铁芯3通过永磁体4形成磁回路Ⅰ13；本发明在使用时候的原理即为通过磁回路Ⅰ13和磁回路Ⅱ14之间的磁通改变，继而改变经过铁镓合金5的磁通量，而由铁镓合金5的特性可知，当经过铁镓合金5的磁通发生改变的时候，铁镓合金5会发生相应的形变，所以，通过在铁镓合金5的一端设置作为输出铁镓合金微位移的导磁压柱2就可以将铁镓合金5发生的形变进行输出。

在使用的时候，通过多个驱动器相互串联使用，并且在串联使用的时候，进行动子铁芯6长度的梯度设置，就可以使得驱动器形成多级的微位移。

如本发明以两个驱动器为例；分别为驱动器Ⅰ11和驱动器Ⅱ12：

驱动器Ⅰ11的导磁压柱2和驱动器Ⅱ12的下导磁铁芯3相互固定连接，形成驱动器Ⅰ11和驱动器Ⅱ12的串联连接。

相对应于驱动器Ⅰ11上供动子铁芯6通过的空隙，在旋转电机10的输出轴7上设置一号动子铁芯8；相对于驱动器Ⅱ12上供动子铁芯6通过的空隙，在旋转电机10的输出轴7上设置二号动子铁芯9。

在使用的时候，步骤如下：

启动旋转电机10，旋转电机10的输出轴7带动一号动子铁芯8和二号动子铁芯9进行转动。

一号动子铁芯8逐渐进入驱动器Ⅰ11上的供动子铁芯6通过的空隙，驱动器Ⅰ11内的磁回路Ⅰ13的磁阻线性减小，导致驱动器Ⅰ11的磁回路Ⅱ14的磁通逐渐减小，即通过驱动器Ⅰ11的铁镓合金5的磁通相应的减小，导致驱动器Ⅰ11的铁镓合金5长度缩小；相应的，驱动器Ⅰ11的铁镓合金5带动驱动器Ⅰ11的导磁压柱2产生微位移，又由驱动器Ⅰ11的导磁压柱2带动驱动器Ⅱ12产生微位移。

当一号动子铁芯8完全进入驱动器Ⅰ11上的供动子铁芯6通过的空隙时，驱动器Ⅰ11的铁镓合金5长度最短；此时驱动器Ⅱ12的二号动子铁芯9开始进入驱动器Ⅱ12上的供动子铁芯6通过的空隙，驱动器Ⅱ12内的磁回路Ⅰ13的磁阻线性减小，导致驱动器Ⅱ12的磁回路Ⅱ14的磁通逐渐减小，即通过驱动器Ⅱ12的铁镓合金5的磁通相应的减小，导致驱动器Ⅱ12的铁镓合金5长度缩小；相应的，驱动器Ⅱ12的铁镓合金5带动驱动器Ⅱ12的导磁压柱2产生微位移。

由于一号动子铁芯8和二号动子铁芯9的侧边相互对齐，并且相互之间的长度呈梯度分布，所以当一号动子铁芯8进入驱动器Ⅰ11的相应空隙的时候，二号动子铁芯9还未进入驱动器Ⅱ12的相应空隙，使得驱动器Ⅰ11的铁镓合金5做相应的形变；

而当一号动子铁芯8完全进入驱动器Ⅰ11的相应空隙后的若干时间(根据动子铁芯6的长度确定)，二号动子铁芯9才进入驱动器Ⅱ12的相应空隙，使得驱动器Ⅱ12的铁镓合金5做相应的形变；而由于一号动子铁芯8和二号动子铁芯9的侧边相互对齐，所以当一号动子铁芯8和二号动子铁芯9同时转出驱动器Ⅰ11和驱动器Ⅱ12的相应空隙，使得相应的铁镓合金5同时发生形变。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器，包括旋转电机和驱动器；其特征是：所述驱动器包括上导磁铁芯(1)和下导磁铁芯(3)，所述上导磁铁芯(1)和下导磁铁芯(3)之间设置有空隙，所述上导磁铁芯(1)和下导磁铁芯(3)之间的空隙内设置有相互平行的永磁体(4)和铁镓合金(5)；所述铁镓合金(5)贯穿上导磁铁芯(1)；

相对于上导磁铁芯(1)和下导磁铁芯(3)之间的空隙，在旋转电机的输出轴上设置有动子铁芯(6)与该空隙间隙配合；所述铁镓合金(5)贯穿上导磁铁芯(1)的一端设置有导磁压柱(2)；所述至少两个驱动器相互串联配合；

所述导磁压柱(2)与下导磁铁芯(3)的外侧面相互固定后形成串联；

相对驱动器，在旋转电机的输出轴上分别设置对应的动子铁芯(6)。

2.根据权利要求1所述的铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器，其特征是：所述动子铁芯(6)之间的长度为梯度分布。

3.根据权利要求2所述的铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器，其特征是：所述动子铁芯(6)的一侧边相互对齐。

4.根据权利要求3所述的铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器，其特征是：所述永磁体(4)轴向充磁。

5.权利要求1-4所述铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器的使用方法；其特征是：所述上导磁铁芯(1)、铁镓合金(5)和下导磁铁芯(3)通过永磁体(4)形成磁回路Ⅱ(14)；

所述上导磁铁芯(1)、动子铁芯(6)和下导磁铁芯(3)通过永磁体(4)形成磁回路Ⅰ(13)；

旋转电机的输出轴带动动子铁芯(6)转动，动子铁芯(6)在上导磁铁芯(1)和下导磁铁芯(3)之间的空隙内循环的进与出，并使得磁回路Ⅰ(13)的磁阻按照动子铁芯(6)的转动而改变，继而改变磁回路Ⅱ(14)的磁通，从而使得铁镓合金(5)发生形变，形成导磁压柱(2)的收缩或伸长。

6.根据权利要求5所述的铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器的使用方法，其特征是：至少两个驱动器相互配合使用时，第一个驱动器的导磁压柱(2)收缩或伸长的同时，另外的驱动器的导磁压柱(2)也收缩或伸长。

7.根据权利要求6所述的铁镓合金串联驱动逆磁致伸缩驱动器的使用方法，其特征是：所述动子铁芯(6)之间的梯度分布，决定驱动器的导磁压柱(2)的收缩或伸长的先后顺序。