CN104218845B - 一种基于磁致伸缩材料的换向运动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁致伸缩材料的换向运动机构，其包括有致动组件、预压力组件、激励磁场组件、旋转组件、第一内导磁筒、第二内导磁筒、第一外导磁筒和第二外导磁筒。第一内导磁筒、A导磁环、第一外导磁筒固定连接，第一外导磁筒的筒体上固定有A轴承挡环；第二内导磁筒、B导磁环、第二外导磁筒固定连接，第二外导磁筒的筒体上固定有B轴承挡环；第一安装座、极头安装座和第二安装座固定连接，八个导磁体安装在极头安装座上，预压力组件安装在致动组件上。本发明是利用了磁致伸缩材料的磁场应变特性，将周向的机械转动转化为轴向的直动。

Description

一种基于磁致伸缩材料的换向运动机构

技术领域

本发明涉及一种换向运动机构，更特别地说，是指一种基于磁致伸缩材料的换向运动机构。该换向运动机构是利用了磁致伸缩材料的磁场应变特性，将周向的机械转动转化为轴向的直动。

背景技术

磁致伸缩材料作为一类新型高效的电(磁)能机械(声)能转换材料，在航空航天、电子电力、信息通讯等智能结构领域具有巨大的应用潜力。目前性能较好的磁致伸缩材料产生足够应变通常需要500～4000Oe磁场强度。

传统的换向运动机构一般为机械结构式的，体积较大。目前尚未有基于磁致伸缩材料的换向器公开。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于磁致伸缩材料的换向运动机构，是利用了磁致伸缩材料的磁场应变特性，将周向的机械转动转化为轴向的直动。通过致动组件中的永磁体为磁致伸缩棒提供偏置磁场，通过激励磁场组件中的永磁环为磁致伸缩棒提供激励磁场。通过极头安装座上分布的不同规格导磁体与凸齿、凹槽的配合，实现两种不同磁路的渐变，从而使得磁致伸缩棒受到的磁场强度发生规律性起伏变化，达到磁致伸缩棒的伸长与收缩。本发明设计的换向运动机构的输入形式为沿周向的圆周转动，输出形式为沿轴向方向的直线运动，从而实现了运动形式的转发换。

本发明的是一种基于磁致伸缩材料的换向运动机构，其包括有致动组件(1)、第一预压力组件(2A)、第二预压力组件(2B)、激励磁场组件(5)、旋转组件(6)、第一内导磁筒(3A)、第二内导磁筒(3B)、第一外导磁筒(4A)和第二外导磁筒(4B)；

致动组件(1)包括有实心柱体结构的A输出杆(1A)、B输出杆(1B)、A磁致伸缩棒(1C)、B磁致伸缩棒(1D)、支撑杆(1E)、A永磁体(1F)、B永磁体(1G)、C永磁体(1H)、D永磁体(1J)、A导磁片(1K)、B导磁片(1L)、C导磁片(1M)和D导磁片(1N)；从A输出杆(1A)至B输出杆(1B)之间顺次设置有A永磁体(1F)、A导磁片(1K)、A磁致伸缩棒(1C)、B导磁片(1L)、B永磁体(1G)、支撑杆(1E)、C永磁体(1H)、C导磁片(1M)、B磁致伸缩棒(1D)、D导磁片(1N)、D永磁体(1J)；

A输出杆(1A)上固定安装有A凸缘(2A2)，A输出杆(1A)上套接有A碟簧(2A1)，A碟簧(2A1)位于A凸缘(2A2)的上方；

B输出杆(1B)上固定安装有B凸缘(2B2)，B输出杆(1B)上套接有B碟簧(2B1)，B碟簧(2B1)位于B凸缘(2B2)的下方；

第一预压力组件(2A)包括有A碟簧(2A1)和A凸缘(2A2)，A碟簧(2A1)与A凸缘(2A2)固定在A输出杆(1A)上，A碟簧(2A1)设置在第一内导磁筒(3A)的筒底板3A5与A凸缘(2A2)之间；

第二预压力组件(2B)包括有B碟簧(2B1)和B凸缘(2B2)，B碟簧(2B1)与B凸缘(2B2)固定在B输出杆(1B)上，B碟簧(2B1)设置在第二导磁筒3B的筒底板3B5与B凸缘(2B2)之间；

激励磁场组件(5)包括有环状结构的A套筒(5A)、B套筒(5B)、A永磁环(5C)、B永磁环(5D)、A导磁环(5E)和B导磁环(5F)；激励磁场组件(5)从上至下顺次排列为A导磁环(5E)、A永磁环(5C)、A套筒(5A)、B套筒(5B)、B永磁环(5D)和B导磁环(5F)；

A套筒(5A)的一端设有AA凸齿(5A1)与AB凸齿(5A2)，AA凸齿(5A1)与AB凸齿(5A2)之间为AA凹槽(5A3)、AB凹槽(5A4)；

B套筒(5B)的一端设有BA凸齿(5B1)与BB凸齿(5B2)，BA凸齿(5B1)与BB凸齿(5B2)之间为BA凹槽(5B3)、BB凹槽(5B4)；

旋转组件(6)包括有第一安装座(6A)、第二安装座(6B)、极头安装座(6C)、A滚珠轴承(6D)、B滚珠轴承(6E)、A轴承挡环(6F)、B轴承挡环(6G)、A导磁体(6H)、B导磁体(6J)、C导磁体(6K)、D导磁体(6L)、E导磁体(6M)、F导磁体(6N)、G导磁体(6P)、H导磁体(6Q)；

第一安装座(6A)上设有与A滚珠轴承(6D)的外圈固定的连接板6A1，A滚珠轴承(6D)的内圈套接在第一外导磁筒(4A)的外部，为了防止A滚珠轴承(6D)在轴向上移动，在A滚珠轴承(6D)的下方设置了A轴承挡环(6F)，A轴承挡环(6F)套接在第一外导磁筒(4A)的外部；

第二安装座(6B)上设有与B滚珠轴承(6E)的外圈固定的连接板(6B1)，B滚珠轴承(6E)的内圈套接在第二外导磁筒(4B)的外部，为了防止B滚珠轴承(6E)在轴向上移动，在B滚珠轴承(6E)的下方设置了B轴承挡环(6G)，B轴承挡环(6G)套接在第二外导磁筒(4B)的外部；

极头安装座(6C)的中心是E通孔(6C10)，E通孔(6C10)用于放置支撑杆(1E)，支撑杆(1E)在E通孔(6C10)中能够自由活动；

极头安装座(6C)上设有四个弧形通槽，即A弧形槽(6C1)、B弧形槽(6C2)、C弧形槽(6C3)、D弧形槽(6C4)；A弧形槽(6C1)用于放置A导磁体(6H)，B弧形槽(6C2)用于放置B导磁体(6J)，C弧形槽(6C3)用于放置C导磁体(6K)，D弧形槽(6C4)用于放置D导磁体(6L)；A弧形槽(6C1)、B弧形槽(6C2)、C弧形槽(6C3)、D弧形槽(6C4)为通槽；

极头安装座(6C)的上板面(6C11)上设有两个盲孔弧形槽，即E弧形槽(6C5)、G弧形槽(6C7)；E弧形槽(6C5)用于放置E导磁体(6M)，G弧形槽(6C7)用于放置G导磁体(6P)；

极头安装座(6C)的下板面(6C12)上设有两个盲孔弧形槽，即F弧形槽(6C6)、H弧形槽(6C8)；F弧形槽(6C6)用于放置F导磁体(6N)，H弧形槽(6C8)用于放置H导磁体(6Q)；

E弧形槽(6C5)与F弧形槽(6C6)平行，G弧形槽(6C7)与H弧形槽(6C8)平行；

第一内导磁筒(3A)的一端设有CA凸齿(3A1)、CB凸齿(3A2)，CA凸齿(3A1)与CB凸齿(3A2)之间为CA凹槽(3A3)、CB凹槽(3A4)；第一内导磁筒(3A)的另一端为筒底板(3A5)，筒底板(3A5)上设有A通孔(3A6)，A通孔(3A6)用于放置A输出杆(1A)，A输出杆(1A)在A通孔3A6内能够自由活动；

第二内导磁筒(3B)的一端设有EA凸齿(3B1)、EB凸齿(3B2)，EA凸齿(3B1)与EB凸齿(3B2)之间为EA凹槽(3B3)、EB凹槽(3B4)；第二内导磁筒(3B)的另一端为筒底板(3B5)，筒底板(3B5)上设有B通孔(3B6)，B通孔(3B6)用于放置B输出杆(1B)，B输出杆(1B)在B通孔(3B6)内能够自由活动；

第一外导磁筒(4A)的一端设有DA凸齿(4A1)、DB凸齿(4A2)，DA凸齿(4A1)与DB凸齿(4A2)之间为DA凹槽(4A3)、DB凹槽(4A4)；第一外导磁筒(4A)的另一端设有A内挡板(4A5)、C通孔(4A6)；A内挡板(4A5)与A导磁环(5E)螺纹或者焊接，C通孔(4A6)用于放置A导磁环(5E)；

第二外导磁筒(4B)的一端设有FA凸齿(4B1)、FB凸齿(4B2)，FA凸齿(4B1)与FB凸齿(4B2)之间为FA凹槽(4B3)、FB凹槽(4B4)；第二外导磁筒(4B)的另一端设有B内挡板(4B5)、D通孔(4B6)；B内挡板(4B5)与B导磁环(5F)螺纹或者焊接，D通孔(4B6)用于放置B导磁环(5F)。

本发明基于磁致伸缩材料的换向运动机构的优点在于：

①本发明的输入为周向的机械转动，输出为轴向的机械伸缩运动，实现了两种不同运动形式的高效转换。

②本发明设计的致动组件在磁致伸缩棒的伸长或缩短两种状态均有闭合的磁路，实现不同磁路状态切换的过程中致动组件扭矩很低，致动组件转动过程中摩擦力也大大降低，从而具有四两拨千斤的功效。

③本发明无线圈结构，除旋转组件部分摩擦外无其余损耗件，具有使用寿命长、可靠性高特点。

④本发明采用导磁、不导磁、永磁的材料进行加工制件，整个换向器的尺寸可控。

附图说明

图1是本发明基于磁致伸缩材料的换向运动机构的外部结构图。

图1A是部分切除的本发明基于磁致伸缩材料的换向运动机构的剖视图。

图1B是本发明基于磁致伸缩材料的换向运动机构的伸长状态时的导磁零件与极头、极头安装座之间的分解图。

图1C是本发明基于磁致伸缩材料的换向运动机构的分解图。

图2是本发明基于磁致伸缩材料的换向运动机构中的致动组件的结构图。

图3A是本发明基于磁致伸缩材料的换向运动机构中的极头安装座的结构图。

图3B是本发明基于磁致伸缩材料的换向运动机构中的另一视角极头安装座的结构图。

图4是本发明基于磁致伸缩材料的换向运动机构的收缩状态时的导磁零件与极头、极头安装座之间的分解图。

图5是本发明基于磁致伸缩材料的换向运动机构的伸长状态时的磁路示意图。

图6是本发明基于磁致伸缩材料的换向运动机构的收缩状态时的磁路示意图。

1.致动组件	1A.A输出杆	1B.B输出杆
			1C.A磁致伸缩棒	1D.B磁致伸缩棒	1E.支撑杆
1F.A永磁体	1G.B永磁体	1H.C永磁体
			1J.D永磁体	1K.A导磁片	1L.B导磁片
1M.C导磁片	1N.D导磁片	2A.第一预压力组件
			2A1.A碟簧	2A2.A凸缘	2B.第二预压力组件3 -->
2B1.B碟簧	2B2.B凸缘	3A.第一内导磁筒
			3A1.CA凸齿	3A2.CB凸齿	3A3.CA凹槽
3A4.CB凹槽	3A5.筒底板	3A6.A通孔
			3B.第二内导磁筒	3B1.EA凸齿	3B2.EB凸齿
3B3.EA凹槽	3B4.EB凹槽	3B5.筒底板
			3B6.B通孔	4A.第一外导磁筒	4A1.DA凸齿
4A2.DB凸齿	4A3.DA凹槽	4A4.DB凹槽
			4A5.A内挡环	4A6.C通孔	4B.第二外导磁筒
4B1.FA凸齿	4B2.FB凸齿	4B3.FA凹槽
			4B4.FB凹槽	4B5.B内挡环	4B6.D通孔
5.激励磁场组件	5A.A套筒	5A1.AA凸齿
			5A2.AB凸齿	5A3.AA凹槽	5A4.AB凹槽
5B.B套筒	5B1.BA凸齿	5B2.BB凸齿

5B3.BA凹槽	5B4.BB凹槽	5C.A永磁环
			5D.B永磁环	5E.A导磁环	5F.B导磁环
6.旋转组件	6A.第一安装座	6B.第二安装座
			6C.极头安装座	6C1.A弧形槽	6C2.B弧形槽
6C3.C弧形槽	6C4.D弧形槽	6C5.E弧形槽
			6C6.F弧形槽	6C7.G弧形槽	6C9.H弧形槽
6C10.E通孔	6C11.上板面	6C12.下板面
			6D.A滚珠轴承	6E.B滚珠轴承
6F.A轴承挡环	6G.B轴承挡环

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B、图1C所示，本发明的一种基于磁致伸缩材料的换向运动机构，其包括有致动组件1、第一预压力组件2A、第二预压力组件2B、激励磁场组件5、旋转组件6、第一内导磁筒3A、第二内导磁筒3B、第一外导磁筒4A和第二外导磁筒4B。本发明设计的基于磁致伸缩材料的换向运动机构利用磁致伸缩材料的磁致应变特性、以及导磁、不导磁、永磁的材料特性转变来实现位移的输出；结构体采用导磁、不导磁、永磁的材料进行加工制件，整个换向运动机构的尺寸可控。制作大型换向运动机构时各个连接部位采用螺纹连接比较方便，制作换向运动机构小型化时时各个连接部位采用焊接、铆接比较方便实用。

在本发明中，磁致伸缩棒选用磁致伸缩效应的材料制成，如TbDyFe合金、FeGa合金等。永磁体、永磁环选用永磁材料制成，如NdFeB合金、SmCo合金等；导磁柱、导磁片、内导磁筒、外导磁筒、内极头、外极头的连接板选用高磁导率材料制成，如电工纯铁、硅钢、坡莫合金等；输出杆、尾杆、预压力组件、A套筒、B套筒、第一安装座、第二安装座、第一连接组件和第二连接组件选用低磁导率材料制成，如黄铜、奥氏体不锈钢等。

致动组件1

参见图1、图1A、图1B、图1C所示，致动组件1包括有实心柱体结构的A输出杆1A、B输出杆1B、A磁致伸缩棒1C、B磁致伸缩棒1D、支撑杆1E、A永磁体1F、B永磁体1G、C永磁体1H、D永磁体1J、A导磁片1K、B导磁片1L、C导磁片1M和D导磁片1N。

其中，A输出杆1A与B输出杆1B的结构相同。

其中，A磁致伸缩棒1C与B磁致伸缩棒1D的结构相同。

其中，A永磁体1F、B永磁体1G、C永磁体1H和D永磁体1J的结构相同。

其中，A导磁片1K、B导磁片1L、C导磁片1M和D导磁片1N的结构相同。

从A输出杆1A至B输出杆1B之间顺次设置有A永磁体1F、A导磁片1K、A磁致伸缩棒1C、B导磁片1L、B永磁体1G、支撑杆1E、C永磁体1H、C导磁片1M、B磁致伸缩棒1D、D导磁片1N、D永磁体1J。

A输出杆1A上固定安装有A凸缘2A2，A输出杆1A上套接有A碟簧2A1，A碟簧2A1位于A凸缘2A2的上方。

B输出杆1B上固定安装有B凸缘2B2，B输出杆1B上套接有B碟簧2B1，B碟簧2B1位于B凸缘2B2的下方。

在本发明中，致动组件1中的各个零件采用同轴粘接或者是同轴焊接，根据磁致伸缩材料的磁场应变特性实现驱动力的输出。

在本发明中，A磁致伸缩棒(1E)由具有磁致伸缩效应的材料制成，如TbDyFe合金、FeGa合金等。磁致伸缩棒的磁致伸缩值不低于500×10^-6。永磁体为永磁材料制成，如NdFeB合金、SmCo合金等。A输出杆1A、B输出杆1B、支撑杆1E、A导磁片1K、B导磁片1L、C导磁片1M、D导磁片1N由高磁导率材料制成，如电工纯铁、硅钢、坡莫合金等。

第一预压力组件2A

参见图1B所示，第一预压力组件2A包括有A碟簧2A1和A凸缘2A2，A碟簧2A1与A凸缘2A2固定在A输出杆1A上，A碟簧2A1设置在第一内导磁筒3A的筒底板3A5与A凸缘2A2之间。A碟簧2A1用于为磁致伸缩棒提供不低于5MPa的预压力。在本发明中，A碟簧2A1为不导磁材料制成。

第二预压力组件2B

参见图1B所示，第二预压力组件2B包括有B碟簧2B1和B凸缘2B2，B碟簧2B1与B凸缘2B2固定在B输出杆1B上，B碟簧2B1设置在第二导磁筒3B的筒底板3B5与B凸缘2B2之间。B碟簧2B1用于为磁致伸缩棒提供不低于5MPa的预压力。在本发明中，B碟簧2B1为不导磁材料制成。

激励磁场组件5

参见图1、图1A、图1B、图1C所示，激励磁场组件5包括有环状结构的A套筒5A、B套筒5B、A永磁环5C、B永磁环5D、A导磁环5E和B导磁环5F。A套筒5A与B套筒5B的结构相同，且采用高磁导率材料制成，如电工纯铁、硅钢、坡莫合金等。A永磁环5C与B永磁环5D的结构相同，且采用永磁材料制成，如NdFeB合金、SmCo合金等。A导磁环5E和B导磁环5F的结构相同，且采用高磁导率材料制成，如电工纯铁、硅钢、坡莫合金等。激励磁场组件5设置在外导磁筒(4A、4B)与内导磁筒(3A、3B)之间。

激励磁场组件5从上至下顺次排列为A导磁环5E、A永磁环5C、A套筒5A、B套筒5B、B永磁环5D和B导磁环5F。

参见图1B、图3A、图4所示，A套筒5A的一端设有AA凸齿5A1与AB凸齿5A2，AA凸齿5A1与AB凸齿5A2之间为AA凹槽5A3、AB凹槽5A4。在换向运动机构处于伸长状态时(即安装有八个导磁体的旋转组件6在图1B所示状态)，AA凸齿5A1与C导磁体6K对应，AB凸齿5A2与D导磁体6L对应。在换向运动机构处于收缩状态时(即安装有八个导磁体的旋转组件6在图4所示状态)，AA凹槽5A3与C导磁体6K对应，AB凹槽5A4与D导磁体6L对应。

参见图1B、图3B、图4所示，B套筒5B的一端设有BA凸齿5B1与BB凸齿5B2，BA凸齿5B1与BB凸齿5B2之间为BA凹槽5B3、BB凹槽5B4。在换向运动机构处于伸长状态时(即安装有八个导磁体的旋转组件6在图1B所示状态)，BA凸齿5B1与C导磁体6K对应，BB凸齿5B2与D导磁体6L对应。在换向运动机构处于收缩状态时(即安装有八个导磁体的旋转组件6在图4所示状态)，BA凹槽5B3与C导磁体6K对应，BB凹槽5B4与D导磁体6L对应。

在本发明中，套筒的一端设计成带有凸齿与凹槽间隔分布的构形，能够为致动组件1提供间歇式的驱动磁场。

旋转组件6

参见图1、图1A、图1B、图1C、图3A、图3B所示，旋转组件6包括有第一安装座6A、第二安装座6B、极头安装座6C、A滚珠轴承6D、B滚珠轴承6E、A轴承挡环、B轴承挡环6G、A导磁体6H、B导磁体6J、C导磁体6K、D导磁体6L、E导磁体6M、F导磁体6N、G导磁体6P、H导磁体6Q。八个导磁体选用导磁材料制作，如电工纯铁、硅钢、坡莫合金等。第一安装座6A、第二安装座6B、极头安装座6C选用不导磁材料制作，如黄铜、奥氏体不锈钢等。

其中，A导磁体6H与B导磁体6J的结构相同。

其中，C导磁体6K与D导磁体6L的结构相同。

其中，E导磁体6M、F导磁体6N、G导磁体6P和H导磁体6Q的结构相同。

其中，第一安装座6A与第二安装座6B的结构相同。

参见图1B、图1C、图4所示，第一安装座6A上设有与A滚珠轴承6D的外圈固定的连接板6A1，A滚珠轴承6D的内圈套接在第一外导磁筒4A的外部，为了防止A滚珠轴承6D在轴向上移动，在A滚珠轴承6D的下方设置了A轴承挡环6F，A轴承挡环6F套接在第一外导磁筒4A的外部。

参见图1B、图1C、图4所示，第二安装座6B上设有与B滚珠轴承6E的外圈固定的连接板6B1，B滚珠轴承6E的内圈套接在第二外导磁筒4B的外部，为了防止B滚珠轴承6E在轴向上移动，在B滚珠轴承6E的下方设置了B轴承挡环6G，B轴承挡环6G套接在第二外导磁筒4B的外部。

参见图1B、图3A、图3B、图4所示，极头安装座6C的中心是E通孔6C10，E通孔6C10用于放置支撑杆1E，支撑杆1E在E通孔6C10中能够自由活动。

极头安装座6C上设有四个弧形通槽，即A弧形槽6C1、B弧形槽6C2、C弧形槽6C3、D弧形槽6C4；A弧形槽6C1用于放置A导磁体6H，B弧形槽6C2用于放置B导磁体6J，C弧形槽6C3用于放置C导磁体6K，D弧形槽6C4用于放置D导磁体6L。A弧形槽6C1、B弧形槽6C2、C弧形槽6C3、D弧形槽6C4为通槽。

极头安装座6C的上板面6C11上设有两个盲孔弧形槽，即E弧形槽6C5、G弧形槽6C7；E弧形槽6C5用于放置E导磁体6M，G弧形槽6C7用于放置G导磁体6P。

极头安装座6C的下板面6C12上设有两个盲孔弧形槽，即F弧形槽6C6、H弧形槽6C8；F弧形槽6C6用于放置F导磁体6N，H弧形槽6C8用于放置H导磁体6Q。

E弧形槽6C5与F弧形槽6C6平行，G弧形槽6C7与H弧形槽6C8平行。

设计在极头安装座6C上的八个弧形槽是两两相对设置，且以极头安装座6C的中心点对称设置。

在本发明中，八个导磁体的形状可以扇形、正弦曲线型等多种几何形状。八个导磁体的布置为：A导磁体6H与B导磁体6J相对于极头安装座中心呈中心对称放置。C导磁体6K与D导磁体6L相对于极头安装座中心呈中心对称放置。E导磁体6M、G导磁体6P相对于极头安装座中心呈中心对称放置，且位于极头安装座的上板面。F导磁体6N和H导磁体6Q相对于极头安装座中心呈中心对称放置，且位于极头安装座的下板面。极头安装座两面的E导磁体6M、G导磁体6P、F导磁体6N和H导磁体6Q位置对应。

第一内导磁筒3A

参见图1B、图4所示，第一内导磁筒3A的一端设有CA凸齿3A1、CB凸齿3A2，CA凸齿3A1与CB凸齿3A2之间为CA凹槽3A3、CB凹槽3A4。

第一内导磁筒3A的另一端为筒底板3A5，筒底板3A5上设有A通孔3A6，A通孔3A6用于放置A输出杆1A，A输出杆1A在A通孔3A6内能够自由活动。

在换向运动机构处于伸长状态时(即安装有八个导磁体的旋转组件6在图1B所示状态)，CA凹槽3A3与A导磁体6H对应，CB凹槽3A4与B导磁体6J对应。在换向运动机构处于收缩状态时(即安装有八个导磁体的旋转组件6在图4所示状态)，CA凸齿3A1与A导磁体6H对应，CB凸齿3A2与B导磁体6J对应。

第二内导磁筒3B

参见图1C、图5所示，第二内导磁筒3B的一端设有EA凸齿3B1、EB凸齿3B2，EA凸齿3B1与EB凸齿3B2之间为EA凹槽3B3、EB凹槽3B4。

第二内导磁筒3B的另一端为筒底板3B5，筒底板3B5上设有B通孔3B6，B通孔3B6用于放置B输出杆1B，B输出杆1B在B通孔3B6内能够自由活动。

在换向运动机构处于伸长状态时(即安装有八个导磁体的旋转组件6在图1B所示状态)，EA凹槽3B3与A导磁体6H对应，EB凹槽3B4与B导磁体6J对应。在换向运动机构处于收缩状态时(即安装有八个导磁体的旋转组件6在图4所示状态)，EA凸齿3B1与A导磁体6H对应，EB凸齿3B2与B导磁体6J对应。

在本发明中，第一、第二内导磁筒的一端设计成带有凸齿与凹槽间隔分布的构形，能够为致动组件1提供间歇式的驱动磁场。

第一外导磁筒4A

参见图1C、图6所示，第一外导磁筒4A的一端设有DA凸齿4A1、DB凸齿4A2，DA凸齿4A1与DB凸齿4A2之间为DA凹槽4A3、DB凹槽4A4。

第一外导磁筒4A的另一端设有A内挡板4A5、C通孔4A6。A内挡板4A5与A导磁环5E螺纹或者焊接，C通孔4A6用于放置A导磁环5E。

在换向运动机构处于伸长状态时(即安装有八个导磁体的旋转组件6在图1B所示状态)，DA凹槽4A3与E导磁体6M对应，DB凹槽4A4与G导磁体6P对应。在换向运动机构处于收缩状态时(即安装有八个导磁体的旋转组件6在图4所示状态)，DA凸齿4A1与E导磁体6M对应，DB凸齿4A2与G导磁体6P对应。

第二外导磁筒4B

参见图1C、图6所示，第二外导磁筒4B的一端设有FA凸齿4B1、FB凸齿4B2，FA凸齿4B1与FB凸齿4B2之间为FA凹槽4B3、FB凹槽4B4。

第二外导磁筒4B的另一端设有B内挡板4B5、D通孔4B6。B内挡板4B5与B导磁环5F螺纹或者焊接，D通孔4B6用于放置B导磁环5F。

在换向运动机构处于伸长状态时(即安装有八个导磁体的旋转组件6在图1B所示状态)，FA凹槽4B3与F导磁体6N对应，FB凹槽4B4与H导磁体6Q对应。在换向运动机构处于收缩状态时(即安装有八个导磁体的旋转组件6在图4所示状态)，FA凸齿4B1与F导磁体6N对应，FB凸齿4B2与H导磁体6Q对应。

在本发明中，第一、第二外导磁筒的一端设计成带有凸齿与凹槽间隔分布的构形，能够为致动组件1提供间歇式的驱动磁场。

在本发明中，参见图1B所示，内导磁筒(3A、3B)上的凸齿与凹槽、外导磁筒(4A、4B)上的凸齿与凹槽、A套筒5A上的凸齿与凹槽、B套筒5B上的凸齿与凹槽为同轴的相同位排列。内导磁筒(3A、3B)上的凹槽与A导磁体6H、B导磁体6J对应。A套筒5A和B套筒5B上的凸齿与C导磁体6K、D导磁体6L对应。第一外导磁筒4A上的凹槽与E导磁体6M、G导磁体6P对应。第二外导磁筒4B上的凹槽与F导磁体6N、H导磁体6Q对应。

本发明的基于磁致伸缩材料的换向运动机构的装配关系为：第一内导磁筒3A与A导磁环5E可以通过螺纹或者焊接固定连接，A导磁环5E与第一外导磁筒4A可以通过螺纹或者焊接固定连接，第一外导磁筒4A与A轴承挡环6F可以通过螺纹或者焊接固定连接；

第二内导磁筒3B与B导磁环5F可以通过螺纹或者焊接连接，B导磁环5F与第二外导磁筒4B可以通过螺纹或者焊接固定连接，第二外导磁筒4B与B轴承挡环6G可以通过螺纹或者焊接固定连接；

第一安装座6A、极头安装座6C和第二安装座6B通过长螺钉固定连接。

磁路-伸长状态：

参见图5所示，图中，箭头符号代表偏置磁场磁力线走向，三角箭头符号代表激励磁场磁力线走向。

偏置-激励磁场叠加磁路走向为：B永磁体1G、B导磁片1L、A磁致伸缩棒1C、A导磁片1K、A永磁体1F、A输出杆1A、A导磁环5E、A永磁环5C、A套筒5A、C导磁体6K、D导磁体6L、B套筒5B、B永磁环5D、B导磁环5F、B输出杆1B、D永磁体1J、D导磁片1N、B磁致伸缩棒1D、C导磁片1M、C永磁体1H、支撑杆1E、最后回到B永磁体1G构成偏置-激励叠加磁路。

本发明设计的基于磁致伸缩材料的换向运动机构，当磁路在伸长状态下时，致动组件1中的两个磁致伸缩棒(A磁致伸缩棒1E、B磁致伸缩棒1F)此时所处的磁场环境强度最大，则产生大的应变，则致动组件1为伸长状态。

在本发明中，内导磁筒3、外导磁筒4、A套筒5A、B套筒5B上设置的凸齿与凹槽为成对的数目、形状均可变化。形状可以是矩形、扇形、正弦曲线型等多种几何形状。具体地说，凸齿与凹槽的数目为2对、3对、4对、5对、6对、7对、8对为宜。多对凸齿与凹槽匹配的设计使得运动的极头开合速度加快(或称增加)。

磁路-收缩状态：

参见图6所示，图中，点线箭头符号代表偏置磁场磁力线走向，虚线三角箭头符号代表激励磁场磁力线走向。

偏置磁场磁路走向为：B永磁体1G、B导磁片1L、A磁致伸缩棒1C、A导磁片1K、A永磁体1F、A输出杆1A、第一内层磁筒3A、A导磁体6H、B导磁体6J、第二内导磁筒3B、B输出杆1B、D永磁体1J、D导磁片1N、B磁致伸缩棒1D、C导磁片1M、C永磁体1H、支撑杆1E、最后回到B永磁体1G构成偏置闭合磁路(点线箭头符号)。

激励磁场分散磁路走向为：A永磁环5C、A套筒5A、E导磁体6M、F导磁体6N、G导磁体6P、H导磁体6Q、B套筒5B、B永磁环5D、B导磁环5F、A导磁环5E、最后回到A永磁环5C构成激励磁场分散闭合磁路(虚线三角箭头符号)。

本发明设计的基于磁致伸缩材料的换向运动机构，当磁路在收缩状态下时，致动组件1中的两个磁致伸缩棒(A磁致伸缩棒1E、B磁致伸缩棒1F)此时处于偏置磁场磁路中，所处磁场环境强度较低，产生的应变较小。激励磁场分散磁路有效分散了驱动磁场对磁致伸缩的干扰。本发明驱动器设计的双态磁路均闭合的特性，能够使得致动组件在旋转过程中所需扭矩较小。

本发明设计的基于磁致伸缩材料的换向运动机构的磁致伸缩运动方式：

(A)在旋转组件6被驱动(提供该驱动力的可以是风力、水力、电机、燃气机、汽轮机等)的条件下，则致动组件1反复伸缩；

(B)当致动组件1为伸长状态时，A导磁体6H、B导磁体6J位于第一内导磁筒3A和第二内导磁筒3B的凹槽处；C导磁体6K与D导磁体6L位于A套筒5A和B套筒5B的凸齿处；E导磁体6M、F导磁体6N、G导磁体6P、H导磁体6Q位于A套筒5A和B套筒5B的凹槽处；

(C)当致动组件1为收缩状态时，A导磁体6H、B导磁体6J位于第一内导磁筒3A和第二内导磁筒3B的凸齿处；C导磁体6K与D导磁体6L位于A套筒5A和B套筒5B的凹槽处；E导磁体6M、F导磁体6N、G导磁体6P、H导磁体6Q位于A套筒5A和B套筒5B的凸齿处；

(D)当本发明设计的换向运动机构在伸长与收缩的状态反复交替时，偏置-激励磁场磁路与偏置磁场磁路对应地交替出现；旋转组件6绕致动组件1的中心轴线(如图1B所示)转动，其他结构在周向固定，旋转组件6旋转过程中八个导磁体与凸齿、凹槽的距离时远时近，从而造成换向运动机构结构中有两种不同的磁路走向交替出现，两种磁路对两个磁致伸缩棒产生的磁场大小不同，从而造成其伸缩状态的不同。且在磁致伸缩棒伸长缩短两种状态磁路磁阻变化和磁动势变化趋势一致，两种状态可以实现渐变切换，切换过程中对旋转组件6的扭矩要求很低。伸长状态时磁致伸缩棒所受的磁场强度最大，换向机构具有最大的伸长位移；收缩状态时磁致伸缩棒所受的磁场强度最小，换向机构具有最小的位移；两种状态以一定频率交替出现，便实现了将圆周运动转化为直线运动。

Claims (10)

1.一种基于磁致伸缩材料的换向运动机构，其特征在于：所述的换向运动机构包括有致动组件(1)、第一预压力组件(2A)、第二预压力组件(2B)、激励磁场组件(5)、旋转组件(6)、第一内导磁筒(3A)、第二内导磁筒(3B)、第一外导磁筒(4A)和第二外导磁筒(4B)；

致动组件(1)包括有实心柱体结构的A输出杆(1A)、B输出杆(1B)、A磁致伸缩棒(1C)、B磁致伸缩棒(1D)、支撑杆(1E)、A永磁体(1F)、B永磁体(1G)、C永磁体(1H)、D永磁体(1J)、A导磁片(1K)、B导磁片(1L)、C导磁片(1M)和D导磁片(1N)；从A输出杆(1A)至B输出杆(1B)之间顺次设置有A永磁体(1F)、A导磁片(1K)、A磁致伸缩棒(1C)、B导磁片(1L)、B永磁体(1G)、支撑杆(1E)、C永磁体(1H)、C导磁片(1M)、B磁致伸缩棒(1D)、D导磁片(1N)、D永磁体(1J)；

A输出杆(1A)上固定安装有A凸缘(2A2)，A输出杆(1A)上套接有A碟簧(2A1)，A碟簧(2A1)位于A凸缘(2A2)的上方；

B输出杆(1B)上固定安装有B凸缘(2B2)，B输出杆(1B)上套接有B碟簧(2B1)，B碟簧(2B1)位于B凸缘(2B2)的下方；

第一预压力组件(2A)包括有A碟簧(2A1)和A凸缘(2A2)，A碟簧(2A1)与A凸缘(2A2)固定在A输出杆(1A)上，A碟簧(2A1)设置在第一内导磁筒(3A)的筒底板(3A5)与A凸缘(2A2)之间；

第二预压力组件(2B)包括有B碟簧(2B1)和B凸缘(2B2)，B碟簧(2B1)与B凸缘(2B2)固定在B输出杆(1B)上，B碟簧(2B1)设置在第二内导磁筒(3B)的筒底板(3B5)与B凸缘(2B2)之间；

激励磁场组件(5)包括有环状结构的A套筒(5A)、B套筒(5B)、A永磁环(5C)、B永磁环(5D)、A导磁环(5E)和B导磁环(5F)；激励磁场组件(5)从上至下顺次排列为A导磁环(5E)、A永磁环(5C)、A套筒(5A)、B套筒(5B)、B永磁环(5D)和B导磁环(5F)；

A套筒(5A)的一端设有AA凸齿(5A1)与AB凸齿(5A2)，AA凸齿(5A1)与AB凸齿(5A2)之间为AA凹槽(5A3)、AB凹槽(5A4)；

B套筒(5B)的一端设有BA凸齿(5B1)与BB凸齿(5B2)，BA凸齿(5B1)与BB凸齿(5B2)之间为BA凹槽(5B3)、BB凹槽(5B4)；

旋转组件(6)包括有第一安装座(6A)、第二安装座(6B)、极头安装座(6C)、A滚珠轴承(6D)、B滚珠轴承(6E)、A轴承挡环(6F)、B轴承挡环(6G)、A导磁体(6H)、B导磁体(6J)、C导磁体(6K)、D导磁体(6L)、E导磁体(6M)、F导磁体(6N)、G导磁体(6P)、H导磁体(6Q)；

第一安装座(6A)上设有与A滚珠轴承(6D)的外圈固定的连接板(6A1)，A滚珠轴承(6D)的内圈套接在第一外导磁筒(4A)的外部，为了防止A滚珠轴承(6D)在轴向上移动，在A滚珠轴承(6D)的下方设置了A轴承挡环(6F)，A轴承挡环(6F)套接在第一外导磁筒(4A)的外部；

第二安装座(6B)上设有与B滚珠轴承(6E)的外圈固定的连接板(6B1)，B滚珠轴承(6E)的内圈套接在第二外导磁筒(4B)的外部，为了防止B滚珠轴承(6E)在轴向上移动，在B滚珠轴承(6E)的下方设置了B轴承挡环(6G)，B轴承挡环(6G)套接在第二外导磁筒(4B)的外部；

极头安装座(6C)的中心是E通孔(6C10)，E通孔(6C10)用于放置支撑杆(1E)，支撑杆(1E)在E通孔(6C10)中能够自由活动；

极头安装座(6C)上设有四个弧形通槽，即A弧形槽(6C1)、B弧形槽(6C2)、C弧形槽(6C3)、D弧形槽(6C4)；A弧形槽(6C1)用于放置A导磁体(6H)，B弧形槽(6C2)用于放置B导磁体(6J)，C弧形槽(6C3)用于放置C导磁体(6K)，D弧形槽(6C4)用于放置D导磁体(6L)；A弧形槽(6C1)、B弧形槽(6C2)、C弧形槽(6C3)、D弧形槽(6C4)为通槽；

极头安装座(6C)的上板面(6C11)上设有两个盲孔弧形槽，即E弧形槽(6C5)、G弧形槽(6C7)；E弧形槽(6C5)用于放置E导磁体(6M)，G弧形槽(6C7)用于放置G导磁体(6P)；

极头安装座(6C)的下板面(6C12)上设有两个盲孔弧形槽，即F弧形槽(6C6)、H弧形槽(6C8)；F弧形槽(6C6)用于放置F导磁体(6N)，H弧形槽(6C8)用于放置H导磁体(6Q)；

E弧形槽(6C5)与F弧形槽(6C6)平行，G弧形槽(6C7)与H弧形槽(6C8)平行；

第一内导磁筒(3A)的一端设有CA凸齿(3A1)、CB凸齿(3A2)，CA凸齿(3A1)与CB凸齿(3A2)之间为CA凹槽(3A3)、CB凹槽(3A4)；第一内导磁筒(3A)的另一端为筒底板(3A5)，筒底板(3A5)上设有A通孔(3A6)，A通孔(3A6)用于放置A输出杆(1A)，A输出杆(1A)在A通孔(3A6)内能够自由活动；

第二内导磁筒(3B)的一端设有EA凸齿(3B1)、EB凸齿(3B2)，EA凸齿(3B1)与EB凸齿(3B2)之间为EA凹槽(3B3)、EB凹槽(3B4)；第二内导磁筒(3B)的另一端为筒底板(3B5)，筒底板(3B5)上设有B通孔(3B6)，B通孔(3B6)用于放置B输出杆(1B)，B输出杆(1B)在B通孔(3B6)内能够自由活动；

第一外导磁筒(4A)的一端设有DA凸齿(4A1)、DB凸齿(4A2)，DA凸齿(4A1)与DB凸齿(4A2)之间为DA凹槽(4A3)、DB凹槽(4A4)；第一外导磁筒(4A)的另一端设有A内挡板(4A5)、C通孔(4A6)；A内挡板(4A5)与A导磁环(5E)螺纹或者焊接，C通孔(4A6)用于放置A导磁环(5E)；

第二外导磁筒(4B)的一端设有FA凸齿(4B1)、FB凸齿(4B2)，FA凸齿(4B1)与FB凸齿(4B2)之间为FA凹槽(4B3)、FB凹槽(4B4)；第二外导磁筒(4B)的另一端设有B内挡板(4B5)、D通孔(4B6)；B内挡板(4B5)与B导磁环(5F)螺纹或者焊接，D通孔(4B6)用于放置B导磁环(5F)。

2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的换向运动机构，其特征在于：八个导磁体的布置为：A导磁体(6H)与B导磁体(6J)相对于极头安装座中心呈中心对称放置；C导磁体(6K)与D导磁体(6L)相对于极头安装座中心呈中心对称放置；E导磁体(6M)、G导磁体(6P)相对于极头安装座中心呈中心对称放置，且位于极头安装座的上板面；F导磁体(6N)和H导磁体(6Q)相对于极头安装座中心呈中心对称放置，且位于极头安装座的下板面；极头安装座两面的E导磁体(6M)、G导磁体(6P)、F导磁体(6N)和H导磁体(6Q)位置对应。

3.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的换向运动机构，其特征在于：B永磁体(1G)、B导磁片(1L)、A磁致伸缩棒(1C)、A导磁片(1K)、A永磁体(1F)、A输出杆(1A)、A导磁环(5E)、A永磁环(5C)、A套筒(5A)、C导磁体(6K)、D导磁体(6L)、B套筒(5B)、B永磁环(5D)、B导磁环(5F)、B输出杆(1B)、D永磁体(1J)、D导磁片(1N)、B磁致伸缩棒(1D)、C导磁片(1M)、C永磁体(1H)、支撑杆(1E)、最后回到B永磁体(1G)构成偏置-激励叠加磁路。

4.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的换向运动机构，其特征在于：B永磁体(1G)、B导磁片(1L)、A磁致伸缩棒(1C)、A导磁片(1K)、A永磁体(1F)、A输出杆(1A)、第一内层磁筒(3A)、A导磁体(6H)、B导磁体(6J)、第二内导磁筒(3B)、B输出杆(1B)、D永磁体(1J)、D导磁片(1N)、B磁致伸缩棒(1D)、C导磁片(1M)、C永磁体(1H)、支撑杆(1E)、最后回到B永磁体(1G)构成偏置闭合磁路。

5.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的换向运动机构，其特征在于：A永磁环(5C)、A套筒(5A)、E导磁体(6M)、F导磁体(6N)、G导磁体(6P)、H导磁体(6Q)、B套筒(5B)、B永磁环(5D)、B导磁环(5F)、A导磁环(5E)、最后回到A永磁环(5C)构成激励磁场分散闭合磁路。

6.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的换向运动机构，其特征在于：当致动组件(1)为伸长状态时，A导磁体(6H)、B导磁体(6J)位于第一内导磁筒(3A)和第二内导磁筒(3B)的凹槽处；C导磁体(6K)与D导磁体(6L)位于A套筒(5A)和B套筒(5B)的凸齿处；E导磁体(6M)、F导磁体(6N)、G导磁体(6P)、H导磁体(6Q)位于A套筒(5A)和B套筒(5B)的凹槽处；当致动组件(1)为收缩状态时，A导磁体(6H)、B导磁体(6J)位于第一内导磁筒(3A)和第二内导磁筒(3B)的凸齿处；C导磁体(6K)与D导磁体(6L)位于A套筒(5A)和B套筒(5B)的凹槽处；E导磁体(6M)、F导磁体(6N)、G导磁体(6P)、H导磁体(6Q)位于A套筒(5A)和B套筒(5B)的凸齿处。

7.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的换向运动机构，其特征在于：磁致伸缩棒选用磁致伸缩效应的材料制成。

8.根据权利要求7所述的基于磁致伸缩材料的换向运动机构，其特征在于：磁致伸缩棒选用TbDyFe合金、或者FeGa合金材料制成。

9.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的换向运动机构，其特征在于：永磁体、永磁环选用永磁材料制成；

导磁柱、导磁片、内导磁筒、外导磁筒、内极头、外极头的连接板选用高磁导率材料制成；

输出杆、尾杆、预压力组件、A套筒、B套筒、第一安装座、第二安装座、第一连接组件和第二连接组件选用低磁导率材料制成。

10.根据权利要求9所述的基于磁致伸缩材料的换向运动机构，其特征在于：永磁体、永磁环选用NdFeB合金、或者SmCo合金永磁材料制成；

导磁柱、导磁片、内导磁筒、外导磁筒、内极头、外极头的连接板选用电工纯铁、硅钢、或者坡莫合金的高磁导率材料制成；

输出杆、尾杆、预压力组件、A套筒、B套筒、第一安装座、第二安装座、第一连接组件和第二连接组件选用黄铜、或者奥氏体不锈钢的低磁导率材料制成。