CN105162354A - 基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机 - 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摇头型微电机，包括定子、转子和预压力系统。定子包括磁变形体和金属基体。在外加磁场的作用下，磁致伸缩体沿磁化方向伸长，并在定子上激励出在空间上有一定夹角的两个一阶弯曲振动模态。定子与转子相接触的驱动端面上的质点的运动轨迹为椭圆。转子贯穿于中空的定子，并在预压力系统的作用下压紧在定子的驱动端上，定子通过摩擦驱动转子旋转。本发明采用外部磁场激励，实现了无线驱动，易于微型化，压电材料体用以实时监测电机的运行状况，也可用做磁电转换单元，实现无线供能等，本发明特别适合于需要精确定位的场合，如医疗诊断和机器人等领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种超磁致伸缩材料应用领域的装置，具体的是一种适宜于无线驱动的基于超磁致伸缩材料的摇头型外部磁控微电机。
背景技术
摇头型电机是压电电机的一种重要类型，通常，摇头型电机利用了定子两个对称的一阶弯曲振动模态，这两个振动的复合使得定子驱动端面的质点产生椭圆运动轨迹，再通过定子和转子之间的摩擦作用驱动转子转动。基于弯曲振动模态的摇头式压电电机，由于结构简单、加工方便、成本低、重量轻和体积小等，一直是近年来微型驱动器领域的研究热点。目前部分摇头式微电机已经被成功应用到微小型镜头的调焦系统和医疗器械等方面，此外，该类微电机在可以植入组织的微型诊断探头和微型治疗执行器的等方面也有着很大的应用前景，如：人体消化道诊疗微型胶囊系统(内窥镜、参数检测、药物的遥控释放等)。
摇头型压电微电机多采用两相电压激励，中国发明专利，申请号：200520011396.6曾提出利用四片压电陶瓷构造摇头型压电电机的方法，该电机为双相电激励模式，需要在压电材料的电极表面引线，并且驱动和控制电路较复杂；同时，该结构不能实现外部的馈能。而超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料，在室温下就具有的良好伸缩性能，因此利用超磁致伸缩材料制作成的驱动器，具有良好的应用前景。另外，超磁致伸缩材料的激励源为外部磁场，因而可以实现无电缆驱动，将可能在更微小的体积范围实现精密驱动，并获得更大的输出力矩。目前已经出现了各种高性能的超磁致伸缩微位移驱动器，但是这些驱动器大部分都是直线的，而基于旋转的磁致伸缩驱动器较少。如：中国发明专利，申请号：200810138284.5提出的磁致伸缩体致动器，利用了磁致伸缩材料的伸缩效应来推动刚性导磁棒运动。中国发明专利，申请号：200710061674.2则提出了一种利用磁致伸缩装置构造直线电机的方法，其原理是：利用具有磁场强度相位差的永磁铁激励磁致伸缩材料以及相应的箝位机构，进而实现尺蠖运动的直线电机。上述驱动器中的磁致伸缩棒均工作在非共振状态，因而效率较低。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提出了一种基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，利用本发明设计的电机，可以不使用电磁线圈，而直接采用外部磁场激励，同时，电机工作在共振状态，两个工作模态为空间上有一定夹角的一阶弯曲振动模态，因而电机的效率较高。此外，电机定子上添加的压电陶瓷单元，可以用来实现能量转换，或监测电机的实时运行状态。其原理是：当电机振动时，会在压电材料的表面产生电位差(利用压电材料的压电效应)，并且电位差的大小会随着电机振动状态的改变而改变，因此，可以根据相位差的大小来判断电机的实时运行情况。同时，压电材料还实现了能量转换功能，可以将电机的振动能转换为电能输出。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：
一种基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，包括定子、转子和预压力系统；其中：所述定子为中空结构，所述转子的输出轴轴向贯穿于整个定子；所述转子与定子之间通过预压力系统压紧在定子的金属匹配端的驱动面上；
所述定子包括金属基体以及粘贴于金属基体外表面的至少一片磁变形体，多片磁变形体在金属基体的外表面呈一定角度设置；
在外加磁场的作用下，磁变形体发生形变，使定子形成不对称结构，由于定子的不对称结构，将在定子上激励出弯曲摇头振动，使得定子与转子相接触的金属匹配端的驱动面上的质点的运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转。
优选地，所述金属基体为圆筒形结构，圆筒形结构的外表面上形成有至少一个轴向延伸的平面，所述磁变形体粘贴于对应的平面上；多个平面之间设有夹角。
优选地，所述磁变形体采用超磁致伸缩材料。
优选地，所述磁致伸缩体的磁化方向沿轴向。
优选地，所述定子的金属基体外表面还设有压电材料体，所述压电材料体上设有引出电极，用以实现能量转换或监测电机的实时运行状态。
优选地，所述外加磁场采用叠加的交变磁场和恒定的偏置磁场。
优选地，所述定子工作时处于共振状态下，定子的工作模态为两个在空间上有一定夹角的一阶弯曲振动模态。
优选地，所述定子的金属匹配端的驱动面可以采用平面或锥面。
优选地，所述定子和/或转子上开有齿槽，所述齿槽的齿端粘贴有摩擦材料；或
所述定子和转子上同时附着上摩擦材料，形成摩擦副。
优选地，所述齿槽具体开具在定子的金属匹配端的驱动面位置和/或与驱动面接触的转子的位置。
优选地，所述预压力系统包括相互配合的碟形弹簧和卡箍。
本发明提供的基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，转子贯穿中空的定子匹配端，并被弹簧压紧在定子的驱动表面上，在外加磁场的作用下，超磁致伸缩材料(磁致伸缩体)伸长，由于定子的不对称结构，将在定子上激励出弯曲摇头振动，使得定子与转子相接触的驱动端面上的质点的运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转；定子的金属基体由圆筒形成两个平面，而超磁致伸缩材料和压电材料(压电材料体)粘贴在金属基体的两个平面上，两个平面有一定的夹角；超磁致伸缩材料的磁化方向沿轴向；电机由外部磁场激励，激励磁场包含交变磁场和恒定的偏置磁场；定子工作在共振状态，其工作模态为两个在空间上有一定夹角的一阶弯曲振动模态；定子有上下两个驱动表面，驱动表面可以为平面或者锥面；定子上或转子上可以开齿槽，齿端粘贴摩擦材料，也可在定子、转子上同时附着上摩擦材料，构成摩擦副；压电材料上引出电极，用以实现能量转换，或监测电机的实时运行状态。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提出了一种基于超磁致伸缩材料的棒状摇头型外部磁控微电机，并且提出了基于交变磁场的单相激励方法。该电机具有结构紧凑、简单，输出位移大，响应速度快，驱动电压低，易于微型化等特点，在生物、医疗、微机械、自动控制、光学镜头、机器人和航空航天国防科技等领域有着广阔的应用前景。
2、本发明提出的基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机与现有的摇头型压电微电机相比主要有以下区别：
首先激励的原理不同，本发明中的电机采用单相外部磁场激励的方式，因而省掉了压电类电机上附着的电源及控制电路等，进一步简化了电机的结构；而压电微电机则使用相位差为90°的两相电压激励，并且对电机的驱动和控制电路有着严格的要求；
其次电机所产生的效果不同，本发明中的电机根据压电材料体(压电陶瓷)的压电效应，增加了电机的实时监控功能；
最后应用的场合不同，由于本发明中的电机采用外部磁场激励，因而特别适合于体内的环境需求；
总之，与现有的压电微电机相比，本发明的技术进步是显而易见的。
3、本发明采用贴片式定子，使得电机结构得到简化；定子包括超磁致伸缩材料、金属材料和压电材料，原理上，依据磁致伸缩单元的变形转化为整个定子的两个一阶弯曲振动；结构上，定子结构多样，并不局限于一种结构，只要超磁致伸缩单元的变形能够同时激励出定子的两个一阶弯曲振动模态均可。
4、相对于传统的压电电机，本发明可采用单频率外部磁场的激励方式，当改变磁场频率时，会改变电机的进给方向；当改变磁场大小时，会改变电机的进给速度；省掉了与其直接相连的激励电源部分，节省了体积，实现了无电缆驱动，因而集成度较高，有益于在狭小空间里使用；本发明特别适用，但又不局限于体内医疗设备，并且具有体外遥控操作的特点。
5、本发明可同时加入压电单元，构造磁致伸缩，弹性基底和压电复合结构，其中压电单元可用于进行电机运行状况的监测，能量转换，实现无线供能。
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为磁致伸缩体和金属基体组合而成的中空定子的结构示意图。其中，1为金属基体，2为磁致伸缩体，箭头所示为磁致伸缩体的磁化方向。
图2为磁致伸缩体、金属基体和压电材料体构成的中空定子的结构示意图。其中，3为压电材料体，箭头方向为压电材料体的极化方向，1为金属基体，2为磁致伸缩体，箭头方向为磁致伸缩体的磁化方向。
图3为以图1的定子结构为例的定子工作原理图，其中2为磁致伸缩材料体，1为金属基体。
图4为定子沿y方向的一阶弯曲振动模态图。
图5为定子沿x方向的的一阶弯曲振动模态图。
图6为电机的整体结构示意图。其中，61为输出轴，62为卡箍，63为碟形弹簧，64为转子，65为金属匹配端，1为金属基体，2为磁致伸缩体。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。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。
本实施例提供了一种基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，包括定子、转子和预压力系统；该电机结构如图6所示，其中，定子为中空结构，转子的输出轴61贯穿整个定子，转子64被预压力系统(碟形弹簧)压紧在定子的金属匹配端65的驱动表面上。所述定子可主要由磁致伸缩体(超磁致伸缩材料)、金属基体(金属材料)和压电材料体(压电材料)组合而成。即，可由超磁致伸缩材料和金属材料粘结而成(如图1所示)，也可演变为由超磁致伸缩材料、压电材料和金属材料复合而成(如图2所示)。该电机是外部磁控的摇头型微电机，压电材料体可用以实时监测电机的运行状况，也可用做能量转换单元，实现无线供能等。图3为定子的激励原理图，利用定子的特殊结构，可同时激励出两个如图4和图5所示的一阶弯曲振动模态，两个一阶弯曲振动模态在空间上有一定的夹角。
所述电机是一种共振摩擦驱动的外部磁控型摇头微电机，采用定子的两个在空间上有一定夹角的一阶弯曲共振模态为工作模态，理论上，这两个共振模态在振动方向上的夹角为90°，但是由于实际的加工误差等原因会导致两模态的夹角有一定的偏差。由于该定子的不对称结构，使得两个模态的共振频率有一定的差值，设计时，需要改变定子的尺寸将两个模态的频率调整到尽可能地一致。所述电机的工作原理是：利用超磁致伸缩材料的伸长而在整个定子上同时激励出两个共振模态。图3以一种定子结构为例说明电机的激励原理，在外磁场作用下，超磁致伸缩材料2沿磁化方向伸长，该伸长振动可分解为沿x和y方向的两个振动，从而同时激励出整个定子沿x和y方向的两个一阶弯曲振动模态，两振动的叠加形成了定子驱动面质点的弯曲摇头振动，从而使质点的运动轨迹为椭圆。转子贯穿于中空的定子匹配端，并在预压力系统的作用下压紧在定子驱动端上，定子通过摩擦驱动转子旋转。
外加激励磁场是偏置磁场和交变磁场的叠加，当改变交变磁场的频率时，会引起两相振动的相位差和幅值的改变，甚至改变电机的旋转方向，因此可依据两相振动的幅值和相位差的要求，挑选出两个合适的激励频率，用于电机正反转的激励频率。当改变激励磁场的大小时，会改变电机的进给速度。
定子的驱动面表面可以为平面或者锥面。所述的预压力系统，采用碟形弹簧和卡箍将转子压紧在定子的金属匹配面的驱动表面上。定子驱动转子旋转，运动和力矩通过转子的输出轴输出。
摩擦材料附着在定子上或转子上，或在定子和转子上同时附着有不同的摩擦材料，构成摩擦副。
定子的驱动面表面上可以开有退屑槽。
本实施例提供的基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，包括定子、转子和预压力系统。定子包括磁变形体和金属基体。在外加磁场的作用下，磁致伸缩体沿磁化方向伸长，并在定子上激励出在空间上有一定夹角的两个一阶弯曲振动模态。这两个共振模态在振动方向上的夹角为90°，定子与转子相接触的驱动端面上的质点的运动轨迹为椭圆。转子贯穿于中空的定子，并在预压力系统的作用下压紧在定子的驱动端上，定子通过摩擦驱动转子旋转。本实施例采用外部磁场激励，实现了无线驱动，易于微型化，压电材料体用以实时监测电机的运行状况，也可用做磁电转换单元，实现无线供能等，本实施例特别适合于需要精确定位的场合，如医疗诊断和机器人等领域。
下面结合附图对本实施例进一步描述。
实施例1
所述的基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，包括定子、转子和预压力系统，具体如图6所示。电机定子有多种结构，并不仅限于图中的结构，主要利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，使得超磁致伸缩单元产生形变，从而同时激励出定子的两个一阶弯曲振动模态，使得定子与转子相接触的驱动端面上的质点的运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转。
图1为定子的一类构造方法，由磁致伸缩体(超磁致伸缩材料)2和金属基体1(金属材料)构成。其中，磁致伸缩体2沿轴向磁化，在外加磁场的作用下，磁致伸缩体2沿磁化方向伸长，而金属基体1不变，二者可以产生图4和图5所示的一阶弯曲振动模态。
图3以一种定子结构为例说明电机的激励原理，在外加磁场的作用下，由于超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，使得定子产生沿1方向变形，从而可同时激励出定子沿x和y方向的两个一阶弯曲振动模态。两振动的叠加形成了定子筒的弯曲摇头振动，使得定子与转子相接触的驱动端面上的质点的运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转。
定子结构多样，并不局限于一种结构，利用超磁致伸缩单元沿一个方向的变形，同时激励出两个空间上有一定夹角的一阶弯曲振动模态。
定子的工作模态为两个空间上有一定夹角的一阶弯曲振动模态，具体如图4和图5所示。由于定子的特殊结构，设计时，需要将这两个一阶弯曲振动模态的共振频率调整到尽可能地接近。当改变激励磁场的频率时，会改变电机的进给方向，使得电机沿一个方向稳定运转；换向时，改变外加磁场的频率，实现逆向旋转；当改变激励磁场的大小时，会改变电机的进给速度。当在定子上激励出两个空间上有一定夹角的一阶弯曲振动的复合共振模态时，定子驱动端上质点的运动轨迹为椭圆。
定子上附加有金属匹配端，并且通过摩擦驱动转子旋转。
摩擦材料附着在定子上或转子上，或在定子和转子上同时附着有不同的摩擦材料，构成摩擦副。
定子驱动表面上可以开有退屑槽。
当定子采用图1的结构时，图6为基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机的结构示意图。其中，61为输出轴，62为卡箍，63为蝶形弹簧，64为转子，65为金属匹配端，1和2构成定子，1为金属基体，2为磁致伸缩体。
实施例2
所述的微电机包括定子、转子和预压力系统，具体如图6所示，其定子结构如图2所示。图2中，3为压电材料体(压电材料)，箭头方向为压电材料体的极化方向，1为金属基体(金属材料)，2为磁致伸缩体(超磁致伸缩材料)，箭头方向为磁致伸缩体的磁化方向。在外加磁场的作用下，由于超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，使得定子产生沿1方向变形(图3所示)，从而可同时激励出定子沿x和y方向两个一阶弯曲振动模态。两振动的叠加形成了定子筒的弯曲摇头振动，使得定子与转子相接触的驱动端面上的质点的运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转。
压电材料体3设有引出电极，用以实时监测微电机的运行状况，或用做能量转换单元，实现无线供能等。
该实施例下，定子的工作模态为两个空间上有一定夹角的一阶弯曲振动模态，具体如图4和图5所示。由于定子的特殊结构，设计时，需要将这两个一阶弯曲振动模态的共振频率调整到尽可能地接近。所述电机采用单频率的外磁场激励方式，当改变激励磁场的频率时，会改变电机的进给方向，使得电机沿一个方向稳定地运转；换向时，改变外加磁场的频率，实现逆向旋转；当改变激励磁场的大小时，会改变电机的进给速度。当在定子上激励出两个在空间上有一定夹角的一阶弯曲振动的复合共振模态时，定子驱动端上质点的运动轨迹为椭圆。
定子上加有金属匹配端，并且通过摩擦驱动转子旋转。
摩擦材料附着在定子上或转子上，或在定子和转子上同时附着有不同的摩擦材料，构成摩擦副。
定子驱动表面上可以开有退屑槽。
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)
1.一种基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，其特征在于，包括定子、转子和预压力系统；其中：所述定子为中空结构，所述转子的输出轴轴向贯穿于整个定子；所述转子与定子之间通过预压力系统压紧在定子的金属匹配端的驱动面上；
所述定子包括金属基体以及粘贴于金属基体外表面的至少一片磁变形体，多片磁变形体在金属基体的外表面呈一定角度设置；
在外加磁场的作用下，磁变形体发生形变，使定子形成不对称结构，并在定子上激励出弯曲摇头振动，使得定子与转子相接触的金属匹配端的驱动面上的质点的运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转。
2.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，其特征在于，所述金属基体为圆筒形结构，圆筒形结构的外表面上形成有至少一个轴向延伸的平面，所述磁变形体粘贴于对应的平面上；多个平面之间设有夹角。
3.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，其特征在于，所述磁变形体采用超磁致伸缩材料。
4.根据权利要求3所述的基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，其特征在于，所述磁致伸缩体的磁化方向沿轴向。
5.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，其特征在于，所述定子的金属基体外表面还设有压电材料体，所述压电材料体上设有引出电极。
6.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，其特征在于，所述外加磁场采用叠加的交变磁场和偏置磁场。
7.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，其特征在于，定子在工作时处于共振状态下，定子的工作模态为两个在空间上有一定夹角的一阶弯曲振动模态。
8.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，其特征在于，所述定子的金属匹配端的驱动面采用平面或锥面。
9.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，其特征在于，所述定子和/或转子上开齿槽，所述齿槽的齿端粘贴摩擦材料；或
所述定子和转子上同时附着摩擦材料，构成摩擦副。
10.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的摇头型微电机，其特征在于，所述预压力系统包括相互配合的碟形弹簧和卡箍。
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