CN107470117A - 一种带有热管散热器的超磁致伸缩超声致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带有热管散热器的超磁致伸缩超声致动器。包括热管散热器和超磁致伸缩超声致动器，热管散热器包括热管和翅片，超磁致伸缩超声致动器包括：外壳上部、外壳下部、Terfenol‑D棒材、导杆、导磁片和导磁套。本发明采用Terfenol‑D棒材套接热管，通过在Terfenol‑D棒材和热管之间注入的绝缘导热胶把热量从Terfenol‑D棒材传向翅片的方式来限制高频温升，热管冷端与翅片相贴合，在外壳上部以及外壳下部的外表面均布置铜翅片以扩大散热面积实现散热，翅片与超磁致伸缩超声致动器外表面填充导热胶，保障致动器由中心热源向四周散热。本发明能够有效解决超磁致伸缩超声致动器温度过高、散热较差的问题，保障超磁致伸缩超声致动器的输出特性。

Description

一种带有热管散热器的超磁致伸缩超声致动器
技术领域
本发明涉及超声复合加工装置技术领域，尤其涉及一种带有热管散热器的超磁致伸缩超声致动器。
背景技术
超磁致伸缩超声致动器的研究应以材料的磁致伸缩效为基础，在超磁致伸缩超声致动器中，超磁致伸缩材料是一种对温度非常敏感的元件，环境温度的改变将影响超磁致伸缩材料的机械性能输出，因而温度是影响超磁致伸缩超声致动器工作性能非常重要的因素。
超磁致伸缩超声致动器工作时在电感线圈作用下，连续的工作将引起线圈发热，以及在高频时磁致伸缩材料在交变磁场下，由于磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗的存在，这部分损耗转化成热量，这两大部分热量的产生，直接影响超磁致伸缩材料的温度分布，使得超磁致伸缩材料的温度升高，这种现象在高频下更加明显。
在高温下，超磁致伸缩材料的热膨胀将影响其工作性能，不仅如此，超磁致伸缩材料在其温度接近居里点时致动性能大大降低，在材料温度超过居里点时致动性能完全散失，因而会对超磁致伸缩超声致动器的输出特性产生很大影响。因此在这样的情况下，超磁致伸缩超声致动器在工作过程中必须进行强制冷却，所以针对超磁致伸缩棒的散热系统设计非常重要，对超磁致伸缩超声致动器进行有效地散热设计是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种带有热管散热器的超磁致伸缩超声致动器，以实现对超磁致伸缩超声致动器进行有效地散热。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种带有热管散热器的超磁致伸缩超声致动器，包括热管散热器和超磁致伸缩超声致动器，所述热管散热器包括热管(13)和翅片(12)组成，所述超磁致伸缩超声致动器包括：外壳上部(1)、外壳下部(10)、Terfenol-D棒材(2)、导杆(3)、导磁片(11)、导磁套(7)、导磁环(6)和电感线圈(8)；所述翅片(12)设置在所述外壳上部(1)和所述外壳下部(10)的外表面，所述热管(13)穿过导磁片(11)、导磁环(6)、外壳下部(10)，所述热管(13)的冷端与所述翅片(12)相贴合；
所述超磁致伸缩超声致动器工作时，电感线圈(8)通入交变电流，所述Terfenol-D棒材(2)在磁场作用下产生高频振动，导杆(3)产生作用于负载的超声振动。
进一步地，在所述Terfenol-D棒材(2)和所述热管(13)之间注入绝缘导热胶，在所述翅片(12)与超磁致伸缩超声致动器的外表面之间填充导热胶。
进一步地，在所述Terfenol-D棒材(2)的外面套装氮化硼陶瓷管(9)，所述电感线圈(8)套装在所述氮化硼陶瓷管(9)上，通过外加交变电流在氮化硼陶瓷管(9)内壁产生交变磁场，所述导磁套(7)、所述导磁环(6)和所述导磁片(11)组成环形磁场回路。
进一步地，所述Terfenol-D棒材(2)采用中空圆柱状结构。
进一步地，所述导磁环和所述导磁套采用硅钢片，所述导磁片采用电工软铁柱，利用多层硅钢片压叠配合电工软铁柱产生闭合外磁路，多层硅钢片分切口后交错角度叠放。
进一步地，所述超磁致伸缩超声致动器还包括碟簧(4)和固定螺栓(5)，利用外壳与所述碟簧(4)间作用力和所述固定螺栓(5)来所述预紧Terfenol-D棒材(2)。
进一步地，所述外壳上部(1)和所述外壳下部(10)采用不锈钢材料，所述外壳上部(1)和所述外壳下部(10)之间通过螺纹连接，所述外壳下部(10)开设孔洞用于热管(13)的安装。
进一步地，所述电感线圈(8)采用铜防水漆包线材料，所述翅片(12)采用铜质材料。
进一步地，所述导磁片(11)与所述导杆(3)的中心位于同一直线上且不能留有缝隙，
进一步地，所述电感线圈(8)缠绕在所述氮化硼陶瓷管(9)上后进行蜡封处理。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过采用Terfenol-D棒材作为磁致伸缩材料，通过在Terfenol-D棒材和热管之间注入的绝缘导热胶把热量从Terfenol-D棒材传向翅片的方式来限制高频温升，热管冷端与翅片相贴合，能够有效解决超磁致伸缩超声致动器温度过高、散热较差的问题，从而保证超磁致伸缩超声致动器的输出特性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种带有热管散热器的超磁致伸缩超声致动器的外观图；
图2为本发明实施例提供的一种超磁致伸缩超声致动器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种热管散热器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种热管散热器超磁致伸缩超声致动器的外壳示意图。
图2中所示：1、外壳上部，2、Terfenol-D棒材，3、导杆，4、碟簧，5、固定螺栓，6、导磁环,7、导磁套，8、电感线圈，9、氮化硼陶瓷管，10、外壳下部，11、导磁片。
图3中所示：12、翅片，13、热管。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明实施例提供的一种带有热管散热器的超磁致伸缩超声致动器的外观图。上述带有热管散热器的超磁致伸缩超声致动器由热管散热器和超磁致伸缩超声致动器这两部分组成，图2为本发明实施例中超磁致伸缩超声致动器的结构示意图，图3为本发明实施例中热管散热器的结构示意图。热管散热器由热管(13)和翅片(12)组成，翅片(12)的材料可以为铜质。超磁致伸缩超声致动器由外壳上部(1)、外壳下部(10)、Terfenol-D棒材(2)、氮化硼陶瓷管(9)、导杆(3)、电感线圈(8)、导磁环(6)、导磁套(7)、导磁片(11)、碟簧(4)和固定螺栓(5)组成。
本发明实施例利用Terfenol-D材料的超磁致伸缩特性，选用Terfenol-D棒材(2)为磁致伸缩材料，Terfenol-D棒材(2)的应变量比镍钴等磁致伸缩合金大几十倍，比电致伸缩材料大五倍以上，可高效地实现将电磁能转换成机械能，传输出巨大的能量，其响应稳定，速度敏捷，机械系统反应滞后时间低，压电陶瓷材料仅能制造小功率的超声致动器而用稀土超磁致伸缩材料可以制造最高25KW的大功率超声致动器。
超磁致伸缩超声致动器工作时，电感线圈(8)通入交变电流，轴向产生交变磁场，Terfenol-D棒材(2)在磁场作用下产生高频振动，使Terfenol-D棒材(2)的长度产生周期性的伸长和缩短，随着Terfenol-D棒材(2)的伸长及缩短，导杆(3)产生超声振动，可直接作用于负载，从而进行超声振动加工。
导磁环(6)和导磁套(7)采用高导磁率硅钢片，导磁片(11)采用电工软铁柱，利用多层硅钢片压叠配合电工软铁柱产生闭合外磁路，多层硅钢片分切口后交错角度叠放避免产生涡流。
由于高频下Terfenol-D棒材(2)中的温度上升非常迅速，本发明重点考虑超磁致伸缩超声致动器的涡流效应和散热问题，本发明采取两种措施：
一种措施是改变Terfenol-D棒材(2)的结构，在保证技术指标的前提下选用中空圆柱状Terfenol-D棒材(2)；
二种措施是设计一套辅助冷却散热系统，采用Terfenol-D棒材(2)套接热管(13)，在Terfenol-D棒材(2)和热管(13)之间注入绝缘导热胶，通过绝缘导热胶把热量从Terfenol-D棒材(2)传向翅片(12)的方式来限制高频的温升。
热管(13)穿过导磁片(11)、导磁环(6)、外壳下部(10)，热管(13)的冷端与翅片(12)相贴合，在外壳上部(1)以及外壳下部(10)的外表面均布置翅片(12)以扩大散热面积实现散热，翅片(12)与超磁致伸缩超声致动器外表面之间填充导热胶，这是一种由中心热源向四周散热的方式，本发明实施例用热管(13)和翅片(12)来实现降温，热管(13)是一种高效传热元件，通常为两端封闭、内壁镶以毛细多孔材料或丝网、能承受压力的金属管，管内装入少量液体，达到浸满管芯，当热管(13)的一端受热时，液体在受热端内吸热气化，热气流至另一端放热冷凝，凝结后的液体受管芯的毛细管作用又流回受热端，不断循环，使热量不断地从高温处传至低温处，使用热管(13)翅片(12)散热使用方便且效率高。
Terfenol-D棒材(2)外面的陶瓷管是由氮化硼材料制成，利用氮化硼陶瓷管(9)套接Terfenol-D棒材(2)，其特点是耐高温、不导磁、散热性非常好，而且内壁光滑，借助氮化硼润滑特性降低接触摩擦，这大大减小Terfenol-D棒材(2)在伸缩过程中的阻力，氮化硼陶瓷管(9)与Terfenol-D棒材(2)间隙配合安装。
电感线圈(8)套在氮化硼陶瓷管(9)上，通过外加交变电流在氮化硼陶瓷管(9)内壁产生交变磁场，由导磁套(7)、导磁环(6)、导磁片
(11)组成环形磁场回路。电感线圈(8)采用铜防水漆包线材料，密度较小而且不导磁，电感线圈(8)为Terfenol-D棒材(2)提供主磁场，从而带动磁致伸缩棒的伸缩。根据磁路的闭合理论，线圈的两端应该采用导磁性能好的材料，两端的导磁套(7)和导磁片(11)以及磁导环(6)具有收集磁力线的作用。Terfenol-D棒材(2)的磁导率比较小，这对磁场的封闭性设计提出了较高的要求，由于导磁环(6)和导磁套(7)等均采用导磁率很高的辄铁、硅钢片，导磁片(11)采用工业纯铁，因此线圈基本无漏磁问题，这样可以有效提高螺线管内磁场的均匀度，利用多层硅钢片压叠配合电工软铁柱产生闭合外磁路，硅钢片分角度切口避免产生涡流。
图4为本发明中带有热管散热器的超磁致伸缩超声致动器的外壳示意图，所述外壳上部(1)和所述外壳下部(10)采用不锈钢材料，外壳上部(1)和所述外壳下部(10)之间通过螺纹连接，在外壳下部开设一孔洞用于热管(13)的安装。上述带有热管散热器的超磁致伸缩超声致动器的导杆(3)采用硬质材料，其密度较不锈钢要小，而且导磁率低，为使超磁致伸缩材料能在最佳状态下工作，可以对Terfenol-D棒材(2)施加预应力，利用外壳与碟簧(4)间作用力和固定螺栓(5)来预紧Terfenol-D棒材(2)。
上述带有热管散热器的超磁致伸缩超声致动器在组装过程中，重点在于导磁片(11)与导杆(3)的配合，要保证导磁片(11)与导杆(3)的中心位于同一直线上且不能留有缝隙，电感线圈(8)缠绕在线圈陶瓷管上后要进行蜡封处理，做好防水工作，整个安装过程中要注意各个部件连接的紧密型，不能留有间隙，否则会影响到最终输出端的位移，整个结构还要注意封闭性，避免漏磁，散热系统热管(13)通过绝缘导热胶与Terfenol-D棒材(2)相连接进行导热，超磁致伸缩超声致动器应安置在通风良好处，以便于翅片(12)散热。
综上所述，本发明实施例通过采用Terfenol-D棒材作为磁致伸缩材料，通过在Terfenol-D棒材和热管之间注入的绝缘导热胶把热量从Terfenol-D棒材传向翅片的方式来限制高频温升，热管冷端与翅片相贴合，能够有效解决超磁致伸缩超声致动器温度过高、散热较差的问题，从而保证超磁致伸缩超声致动器的输出特性。
本发明实施例还通过选用中空圆柱状Terfenol-D棒材作为驱动源，在外壳上部以及外壳下部的外表面均布置翅片以扩大散热面积实现散热，翅片与超磁致伸缩超声致动器外表面填充导热胶，可以保障超磁致伸缩超声致动器由中心热源向四周散热。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种带有热管散热器的超磁致伸缩超声致动器，其特征在于，包括热管散热器和超磁致伸缩超声致动器，所述热管散热器包括热管(13)和翅片(12)组成，所述超磁致伸缩超声致动器包括：外壳上部(1)、外壳下部(10)、Terfenol-D棒材(2)、导杆(3)、导磁片(11)、导磁套(7)、导磁环(6)和电感线圈(8)；所述翅片(12)设置在所述外壳上部(1)和所述外壳下部(10)的外表面，所述热管(13)穿过导磁片(11)、导磁环(6)、外壳下部(10)，所述热管(13)的冷端与所述翅片(12)相贴合；
所述超磁致伸缩超声致动器工作时，电感线圈(8)通入交变电流，所述Terfenol-D棒材(2)在磁场作用下产生高频振动，导杆(3)产生作用于负载的超声振动。
2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩超声致动器，其特征在于，在所述Terfenol-D棒材(2)和所述热管(13)之间注入绝缘导热胶，在所述翅片(12)与超磁致伸缩超声致动器的外表面之间填充导热胶。
3.根据权利要求2所述的超磁致伸缩超声致动器，其特征在于，在所述Terfenol-D棒材(2)的外面套装氮化硼陶瓷管(9)，所述电感线圈(8)套装在所述氮化硼陶瓷管(9)上，通过外加交变电流在氮化硼陶瓷管(9)内壁产生交变磁场，所述导磁套(7)、所述导磁环(6)和所述导磁片(11)组成环形磁场回路。
4.根据权利要求1所述的超磁致伸缩超声致动器，其特征在于，所述Terfenol-D棒材(2)采用中空圆柱状结构。
5.根据权利要求1所述的超磁致伸缩超声致动器，其特征在于，所述导磁环和所述导磁套采用硅钢片，所述导磁片采用电工软铁柱，利用多层硅钢片压叠配合电工软铁柱产生闭合外磁路，多层硅钢片分切口后交错角度叠放。
6.根据权利要求1所述的超磁致伸缩超声致动器，其特征在于，所述超磁致伸缩超声致动器还包括碟簧(4)和固定螺栓(5)，利用外壳与所述碟簧(4)间作用力和所述固定螺栓(5)来所述预紧Terfenol-D棒材(2)。
7.根据权利要求6所述的超磁致伸缩超声致动器，其特征在于，所述外壳上部(1)和所述外壳下部(10)采用不锈钢材料，所述外壳上部(1)和所述外壳下部(10)之间通过螺纹连接，所述外壳下部(10)开设孔洞用于热管(13)的安装。
8.根据权利要求1所述的超磁致伸缩超声致动器，其特征在于，所述电感线圈(8)采用铜防水漆包线材料，所述翅片(12)采用铜质材料。
9.根据权利要求1所述的超磁致伸缩超声致动器，其特征在于，所述导磁片(11)与所述导杆(3)的中心位于同一直线上且不能留有缝隙。
10.根据权利要求1所述的超磁致伸缩超声致动器，其特征在于，所述电感线圈(8)缠绕在所述氮化硼陶瓷管(9)上后进行蜡封处理。
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