CN106100436B - 嵌套式超磁致伸缩执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁致伸缩领域，涉及一种嵌套式超磁致伸缩执行器，主要包括阻磁底座、下导磁片、线圈骨架、磁致伸缩套筒、导磁套筒、阻磁套筒、下导磁块、磁致伸缩棒、上导磁块、圆筒状磁轭、上导磁片、阻磁外壳、阻磁阶梯传递轴、预紧盖和碟形弹簧。本发明具有结构合理，操作简单等优点，通过组合不同形状的磁致伸缩材料和执行器内部传递结构可以使执行器的输出位移得到增加。拓宽磁致伸缩执行器的应用场合，对于执行器的实际应用具有重大意义。
Description
技术领域
本发明涉及超磁致伸缩执行器装置领域，特别涉及一种嵌套式超磁致伸缩执行器。
背景技术
磁致伸缩材料Terfenol-D是20世纪70年代出现的新型稀土功能材料，该材料被视为21世纪提高国家高科技综合竞争力的一种新型战略性功能材料。与压电陶瓷材料相比该材料具有大磁致伸缩系数、高能量密度、快响应速度、较高的磁机转换效率和抗压特性。磁致伸缩效应是该材料的重要物理特性之一。利用该材料的磁致伸缩效应特性可以制作微位移执行器。用磁致伸缩材料制成的超磁致伸缩移执行器具有结构简单、易于驱动、精度高、漂移小、工作频率范围宽等优点。凭借这些优异特性，超磁致伸缩执行器在声呐系统中已经得到了广泛应用，并且在精密与超精密加工、流体机械等工程领域显示出了良好的应用前景。
虽然磁致伸缩材料较大的磁致伸缩系数和微秒级别的响应速度使超磁致伸缩执行器在微驱动领域的优势要远大于传统驱动器，但是由于超磁致伸缩执行器的输出位移有限，导致了其在很多需要大行程的驱动领域中的应用受到限制。因此提高超磁致伸缩执行器的输出位移对于拓宽其应用领域具有重要意义。
近年来，从事磁致伸缩材料及应用的研究人员对增加超磁致伸缩执行器输出位移的方法进行了一定研究。例如，在2012年机械工程学报第48卷第1期25-31页发表的大行程精密定位超磁致伸缩驱动器的设计与控制中，杨斌堂、徐彭友等人将超磁致伸缩执行器和柔性铰链放大机构组合，研制了大行程精密超磁致伸缩组合驱动器；在2011年大连理工大学方小明的硕士毕业论文中，通过设计一种菱形位移放大机构增加超磁致伸缩执行器的输出位移。但是目前还鲜有通过组合不同形状的磁致伸缩材料增加超磁致伸缩执行器输出位移的报道。
发明内容
发明目的
本发明利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应特性，通过将两种不同形状的磁致伸缩材料组合，设计了一种嵌套式超磁致伸缩执行器，增加了执行器的位移输出，拓宽了超磁致伸缩执行器的应用领域。
技术方案
一种嵌套式超磁致伸缩执行器，其特征在于：超磁致伸缩执行器的下端为底部带有内凹槽，圆周带有螺栓通孔，上端外缘带有圆环状凸台、中心带有凸台的阻磁底座；上端中心带有凸台，下端中心带有凹槽的圆薄片状下导磁片安装在阻磁底座上端的圆环状凸台内并且下导磁片的凹槽内壁与阻磁底座上端中心处凸台的圆周接触；带有中心孔的线圈骨架安装在下导磁片上方；磁致伸缩套筒安装在线圈骨架中心孔中且下端与下导磁片接触；带有内凸台的导磁套筒安装在磁致伸缩套筒上方，其外壁与线圈骨架中心孔内壁接触；上部带有轴肩，下部带有内凸台的阻磁套筒安装在磁致伸缩套筒和导磁套筒中，阻磁套筒的轴肩与导磁套筒内凸台上表面接触，下端与下导磁片接触；下部带有轴肩、上部带有凹槽的下导磁块安装在阻磁套筒中，下导磁块的轴肩与阻磁套筒的内凸台接触并且下端与下导磁片的凸台接触；磁致伸缩棒安装在下导磁块的凹槽内；上下两端带有凹槽的上导磁块安装在磁致伸缩棒上方；圆筒状磁轭安装在线圈骨架外侧并且下端与下导磁片接触；中心处带有通孔的圆薄片状的上导磁片安装在线圈骨架上面；上端中心处带有通孔、外轴肩带有螺栓孔的阻磁阶梯外壳安装在圆筒状磁轭外侧，阻磁外壳的下端面与阻磁底座接触，阻磁外壳下端的内轴肩与阻磁底座上端面的圆环状凸台接触；阻磁阶梯传递轴安装在上导磁块的上凹槽中；外缘带有螺栓孔、中心带有通孔的圆盘状预紧盖安装在阻磁传递轴上面；碟形弹簧安装在预紧盖与阻磁阶递轴之间。
螺栓由执行器的下端依次通过阻磁底座、阻磁外壳和预紧盖的螺栓孔。
在阻磁外壳的外轴肩上安装有紧固螺母，紧固螺母通过与螺栓配合对执行器进行整体固定；在预紧盖上面安装有预紧螺母，预紧螺母与螺栓连接对执行器施加预紧力。
导磁套筒的上端面与阻磁外壳间存在间隙。
上导磁块、阻磁传递轴与阻磁套筒间存在间隙。
优点及效果
本发明利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应特性，通过组合不同形状的磁致伸缩材料将磁致伸缩材料的位移叠加，使整个执行器的输出位移增加。整个执行器具有输出位移大、结构简单的特点。拓宽了磁致伸缩执行器的应用领域，使超磁致伸缩执行器满足了大行程驱动的要求。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为图1中A部分的放大示意图。
附图标记说明：
1.阻磁阶梯传递轴，2.预紧螺母，3.预紧盖，4.螺栓，5.阻磁外壳，6.紧固螺栓，7.阻磁底座，8.磁轭，9.线圈骨架，10.下导磁片，11.磁致伸缩套筒，12.阻磁套筒，13.下导磁块，14.导磁套筒，15.上导磁块，16.上导磁片，17.磁致伸缩棒，18.碟形簧，19.线圈。
具体实施方式
本发明利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应特性，通过将两种不同形状的磁致伸缩材料组合，设计了一种嵌套式超磁致伸缩执行器。
所述嵌套式超磁致伸缩执行器主要包括阻磁底座、下导磁片、线圈骨架、磁致伸缩套筒、导磁套筒、阻磁套筒、下导磁块、磁致伸缩棒、上导磁块、圆筒状磁轭、上导磁片、阻磁外壳、阻磁阶梯传递轴、预紧盖和碟形弹簧，如图1中所示，超磁致伸缩执行器的下端为底部带有内凹槽，圆周带有螺栓通孔，上端外缘带有圆环状凸台、中心带有凸台的阻磁底座7；上端中心带有凸台，下端中心带有凹槽的圆薄片状下状导磁片10安装在阻磁底座7上端的圆环状凸台内并且下导磁片10的凹槽内壁与阻磁底座7上端中心处凸台的圆周接触；带有中心孔的线圈骨架9安装在下导磁片10上方；线圈19缠绕在线圈骨架9上；磁致伸缩套筒11安装在线圈骨架9中心孔中且下端与下导磁片10接触；带有内凸台的导磁套筒14安装在磁致伸缩套筒11上方，其外壁与线圈骨架9中心孔内壁接触；上部带有轴肩，下部带有内凸台的阻磁套筒12安装在磁致伸缩套筒11和导磁套筒14中，阻磁套筒12的轴肩与导磁套筒14内凸台上表面接触，下端与下导磁片10接触；下部带有轴肩、上部带有凹槽的下导磁块13安装在阻磁套筒12中，下导磁块13的轴肩与阻磁套筒12的内凸台接触并且下端与下导磁片10的凸台接触；磁致伸缩棒17安装在下导磁块13的凹槽内；磁致伸缩套筒11、导磁套筒14、阻磁套筒12、下导磁块13之间的装配关系既使得预紧力可以施加到磁致伸缩套筒11上又保证了磁致伸缩套筒11产生的位移可以与磁致伸缩棒17产生的位移进行叠加，最终通过上导磁块15和阻磁阶梯传递轴1进行执行器的位移输出。上下两端带有凹槽的上导磁块15安装在磁致伸缩棒17上方；圆筒状磁轭8安装在线圈骨架9外侧并且下端与下导磁片10接触；中心处带有通孔的圆薄片状的上导磁片16安装在线圈骨架9上面；上端中心处带有通孔、外轴肩带有螺栓孔的阻磁阶梯外壳5安装在圆筒状磁轭8外侧，阻磁外壳5的下端面与阻磁底座7接触，阻磁外壳5下端的内轴肩与阻磁底座7上端面的圆环状凸台接触；阻磁阶梯传递轴1安装在上导磁块15的上凹槽中；外缘带有螺栓孔、中心带有通孔的圆盘状预紧盖3安装在阻磁传递轴1上面；碟形弹簧18安装在预紧盖3与阻磁阶递轴1之间。
螺栓4由执行器的下端依次通过阻磁底座7、阻磁外壳5和预紧盖3的螺栓孔。紧固螺母6安装在阻磁外壳5的外轴肩上并通过与螺栓4配合对执行器进行整体固定，保证了整个执行器装配的正确性。预紧螺母2安装在预紧盖3上面与螺栓4连接对执行器施加预紧力，使得执行器可以工作在最佳状态。
导磁套筒14的上端面与阻磁外壳5间存在间隙，保证了导磁套筒14的上端为自由端可以向上移动。
如图2中所示，上导磁块15、阻磁传递轴1与阻磁套筒12间存在间隙，上导磁块15和阻磁传递轴1是上下连接在一起的，上导磁块15和阻磁传递轴1的侧面均与阻磁套筒12存在间隙，该间隙可以保证执行器的位移输出顺畅没有阻碍。
本发明工作原理如下：
本发明工作时，首先调节预紧螺母2对执行器施加预压力。当调节预紧螺母2时，预紧力通过预紧盖3和碟形弹簧18传递给阻磁阶梯传递轴1，阻磁阶梯传递轴1通过上导磁块15将预紧力施加到磁致伸缩棒17上，由于下导磁块13的轴肩与阻磁套筒12的内凸台接触，阻磁套筒12的轴肩与导磁套筒14的内凸台接触，导磁套筒14下端与磁致伸缩套筒11接触，因此预紧力通过下导磁块13、阻磁套筒12、导磁套筒14被施加到磁致伸缩套筒11上。当执行器线圈19中通入激励时，由于磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，磁致伸缩套筒11和磁致伸缩棒18伸长。由于磁致伸缩套筒11下端属于固定端，导磁套筒14的上端与阻磁外壳5间存在间隙，因此磁致伸缩套筒11产生的位移带动导磁套筒14向上移动。导磁套筒14的内凸台与阻磁套筒12的轴肩连接，阻磁套筒12的内凸台与下导磁块13的轴肩接触，下导磁块13通过凹槽与磁致伸缩棒17连接，因此由磁致伸缩套筒11产生的位移通过导磁套筒14、阻磁套筒12、下导磁块13传递到磁致伸缩棒17，进而将磁致伸缩套筒11的位移与磁致伸缩棒17位移叠加，最终通过上导磁块15和阻磁阶梯传递轴1进行执行器的位移输出。
结论：
本发明结构合理，操作简单。通过组合不同形状的磁致伸缩材料和执行器内部传递结构可以使执行器的输出位移得到增加。拓宽磁致伸缩执行器的应用场合，对于执行器的实际应用具有重大意义。
Claims (4)
1.一种嵌套式超磁致伸缩执行器，其特征在于：超磁致伸缩执行器的下端为底部带有内凹槽，圆周带有螺栓通孔，上端外缘带有圆环状凸台、中心带有凸台的阻磁底座（7）；上端中心带有凸台，下端中心带有凹槽的圆薄片状下导磁片（10）安装在阻磁底座（7）上端的圆环状凸台内并且下导磁片（10）的凹槽内壁与阻磁底座（7）上端中心处凸台的圆周接触；带有中心孔的线圈骨架（9）安装在下导磁片（10）上方；磁致伸缩套筒（11）安装在线圈骨架（9）中心孔中且下端与下导磁片（10）接触；带有内凸台的导磁套筒（14）安装在磁致伸缩套筒（11）上方，其外壁与线圈骨架（9）中心孔内壁接触；上部带有轴肩，下部带有内凸台的阻磁套筒（12）安装在磁致伸缩套筒（11）和导磁套筒（14）中，阻磁套筒（12）的轴肩与导磁套筒（14）内凸台上表面接触，下端与下导磁片（10）接触；下部带有轴肩、上部带有凹槽的下导磁块（13）安装在阻磁套筒（12）中，下导磁块（13）的轴肩与阻磁套筒（12）的内凸台接触并且下端与下导磁片（10）的凸台接触；磁致伸缩棒（17）安装在下导磁块（13）的凹槽内；上下两端带有凹槽的上导磁块（15）安装在磁致伸缩棒上方（17）；圆筒状磁轭（8）安装在线圈骨架（9）外侧并且下端与下导磁片（10）接触；中心处带有通孔的圆薄片状的上导磁片（16）安装在线圈骨架（9）上面；上端中心处带有通孔、外轴肩带有螺栓孔的阻磁阶梯外壳（5）安装在圆筒状磁轭（8）外侧，阻磁外壳（5）的下端面与阻磁底座（7）接触，阻磁外壳（5）下端的内轴肩与阻磁底座（7）上端面的圆环状凸台接触；阻磁阶梯传递轴（1）安装在上导磁块（15）的上凹槽中；外缘带有螺栓孔、中心带有通孔的圆盘状预紧盖（3）安装在阻磁阶梯传递轴（1）上面；碟形弹簧（18）安装在预紧盖（3）与阻磁阶梯传递轴（1）之间；
导磁套筒（14）的上端面与阻磁外壳（5）间存在间隙。
2.根据权利要求1所述的嵌套式超磁致伸缩执行器，其特征在于：螺栓（4）由执行器的下端依次通过阻磁底座（7）、阻磁外壳（5）和预紧盖（3）的螺栓孔。
3.根据权利要求1所述的嵌套式超磁致伸缩执行器，其特征在于：在阻磁外壳（5）的外轴肩上安装有紧固螺母（6），紧固螺母（6）通过与螺栓（4）配合对执行器进行整体固定；在预紧盖（3）上面安装有预紧螺母（2），预紧螺母（2）与螺栓（4）连接对执行器施加预紧力。
4.根据权利要求1所述的嵌套式超磁致伸缩执行器，其特征在于：上导磁块（15）、阻磁阶梯传递轴（1）与阻磁套筒（12）间存在间隙。
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