CN116317680A - 一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器及驱动方法，采用两个形状尺寸和磁控特性都相同的磁控形状记忆合金驱动元件，通过压电陶瓷块承载磁控形状记忆合金驱动器的位移，并通过与另一块压电陶瓷块差动式的驱动进行尺蠖爬行。通过本发明的应用，有效提高了精密驱动器的输出能量密度、响应频率，且抗震耐冲击，可靠性高。

Description

一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器及驱动方法

技术领域

本发明涉及一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器及驱动方法，属于精密驱动技术领域。

背景技术

高功率密度宽频带大行程精密驱动是一个重要方向。智能材料具有能量密度高、响应频率快等特点，有望成为未来新一代驱动器的关键材料。尤其是磁控形状记忆合金，兼具大变形和高响应频率的优点。

磁控形状记忆合金，是一种由磁场控制驱动的功能材料。在2000年左右才被发现，其在降温时会发生马氏体相变，具有传统温控形状记忆合金材料的所有特性。而且磁控形状记忆合金的马氏体变体可以由外加磁场驱动重新排列，显示出类似磁致伸缩的宏观应变。因此，磁控形状记忆合金不仅具有普通温控形状记忆合金大应变和高推动力的特点，而且还具有超磁致伸缩材料一样的高响应频率，应用前景巨大。

智能材料的变形一般小于毫米级，为实现大尺度驱动，基于尺蠖原理设计的智能材料驱动器，采用循环步进的方式，将变形不断积累，以实现较大的输出行程。按导向布局方式，可将尺蠖驱动器分为爬行式和推进式两大类其中，爬行式尺蠖驱动器位移输出机构(动子)一般由两侧箝位机构和中间驱动原件组成，当向右运动时：左箝位压紧，右箝位放松；驱动原件伸长，动子向前移动一个步距；右箝位压紧，左箝位放松；驱动原件恢复原长度，左箝位压紧，右箝位放松，恢复初始状态。推进式尺蠖驱动器基本步进原理与爬行式类似，但区别在于爬行式驱动器中驱动原件是动子，而推进式驱动器中驱动原件是定子，驱动原件推动一根输出杆(主轴)输出位移。

尺蠖驱动器一般由驱动原件、柔性铰链、箝位机构和底座导轨等部件组成。其中，驱动原件和箝位机构是设计的两个关键：(a)在驱动原件设计中，对于自身具有往复驱动能力的智能材料，如压电陶瓷材料，可通过改变外电场的正负来实现驱动原件变形后的复位。对于不具备往复驱动能力的智能材料，如超磁致伸缩材料、温控形状记忆合金、磁控形状记忆合金等，一般需要借助恢复弹簧，来实现驱动原件变形后的复位，但弹簧机构恢复速度慢，只适用于对动态性能要求不高的场合。(b)在箝位机构设计上，一般存在主动箝位和被动箝位两种设计方案。主动箝位方式的箝位力由箝位面与导轨面之间的摩擦力提供，其结构简单、响应速度快，但箝位力小；被动箝位方式则依靠斜楔自锁实现，箝位效果稳定，产生的箝位力亦较大，但响应慢，自锁难，且只支持单向驱动。面对驱动机构要求响应速度快、输出力大、结构紧凑需求，现有驱动原件和箝位机构的设计方法都难以满足要求，迫切需要在高频往复驱动、高输出箝位设计上取得突破。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有技术上的不足，提出一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器及驱动方法，通过压电陶瓷块与磁通元件过盈配合、间隙配合，压电陶瓷块承载磁控形状记忆合金驱动的位移，使驱动器进行尺蠖爬行，提高了输出能量密度、响应频率，可靠性高。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器，包括定子、动子；

所述定子为磁通元件，包括第一磁通模块、第二磁通模块；

所述动子放置在第一磁通模块、第二磁通模块之间，能够相对第一磁通模块、第二磁通模块进行上下移动；动子通过与上述两个磁通模块的间隙配合、过盈配合切换，实现直线运动。

优选的，动子包括励磁线圈、隔磁框、永磁体、磁控形状记忆合金元件、压电陶瓷块、输出轴；

第一励磁线圈组、第二励磁线圈组分别缠绕在第一磁通模块、第二磁通模块上，产生交变磁场且同一时刻磁场方向相反；

隔磁框固连在第一励磁线圈组、第二励磁线圈组之间；

第一磁控形状记忆合金元件的上表面固连在隔磁框内的上表面，第二磁控形状记忆合金元件的下表面固连在隔磁框内的下表面；

第一永磁体下表面固连在隔磁框上表面上，第二永磁体上表面固连在隔磁框下表面上，两个永磁体安装后的磁极朝向相同；

第一压电陶瓷块固连在上述两个磁控形状记忆合金元件之间，第二压电陶瓷块的上表面与第二永磁体的下表面固连；

输出轴的下表面固连在第一永磁体上表面上。

优选的，两个磁通元件只与动子中两个压电陶瓷块存在接触关系；通过对压电陶瓷块供电，实现压电陶瓷与磁通元件之间间隙配合与过盈配合的切换。

优选的，还包括控制器，控制第一励磁线圈组、第二励磁线圈组、第一压电陶瓷块、第二压电陶瓷块的供断电。

优选的，第一励磁线圈组、第二励磁线圈组串联，两个线圈组绕磁通元件的绕线方向相反。

优选的，第一励磁线圈组、第二励磁线圈组并联，供电时，上述两个线圈组绕向方向相同。

优选的，每一个压电陶瓷块距离磁通元件的单边间距、与两个磁通元件间距的比例不大于1:1000。

优选的，根据要求提供的直线驱动功率，尺蠖直线驱动器能够组合使用。

优选的，第二压电陶瓷块固连在第一永磁体下表面、隔磁框上表面之间。

一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器驱动方法，包括：

对两个励磁线圈组、第二压电陶瓷块供电，使第二压电陶瓷块与磁通元件过盈配合后，两个磁控形状记忆合金元件推动第一压电陶瓷块下移；

对第一压电陶瓷块通电，使第一压电陶瓷块与磁通元件过盈配合后，对第二压电陶瓷块断电；

待两个励磁线圈组磁场方向改变后，两个磁控形状记忆合金元件利用推第一压电陶瓷块的反作用力，带动两个励磁线圈组、隔磁框、两个永磁体、两个磁控形状记忆合金元件、两个压电陶瓷块、输出轴上移；

输出轴上移完成时，对第二压电陶瓷块供电，使第二压电陶瓷块与磁通元件过盈配合后，再对第一压电陶瓷块断电，使第一压电陶瓷块与磁通元件间隙配合，实现对磁控形状记忆合金元件的位移叠加。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明输出能量密度大，是传统压电陶瓷材料的40倍，磁致伸缩材料的3倍，单位时间与单位力下形变比传统压电陶瓷及磁致伸缩材料5到大10倍。同时，本发明具有较高灵敏度，响应频率高达1000HZ。

(2)本发明除定子与动子相对平动外，动子元件均是固连，无转动或者多连杆等机械结构，抗震耐冲击，可靠性高。

(3)本发明利用材料自身伸缩特性，配合公差带实现位移累积。

附图说明

图1为本发明实施例差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器结构图。

具体实施方法

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提出了一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器，由定子和动子两部分组成，其中动子采用差动驱动。差动式磁控形状记忆合金驱动器采用两个形状尺寸和磁控特性都相同的磁控形状记忆合金驱动元件，尺蠖直线驱动器采用压电陶瓷块承载磁控形状记忆合金驱动器的位移，并通过与另一块压电陶瓷块差动式的驱动进行尺蠖爬行。

尺蠖直线驱动器包括磁通元件、励磁线圈、隔磁框、永磁体、磁控形状记忆合金元件、压电陶瓷块、输出轴。所述励磁线圈、隔磁框、永磁体、磁控形状记忆合金元件、压电陶瓷块、输出轴通过固连形成一个整体，能相对磁通元件进行上下移动，仅压电陶瓷块通过供电可与磁通元件实现间隙配合与过盈配合切换。压电陶瓷块与磁通元件的单边安装间距为0.02mm～0.05mm，根据要求驱动器提供的驱动功率有关。一般情况下，压电陶瓷块与磁通元件的单边安装间距与两磁通元件之间的间距的比例不大于1:1000。

所述磁通元件为固定式，只与压电陶瓷块存在接触关系。且压电陶瓷块通过供电与磁通元件实现间隙配合与过盈配合切换。如图1所示，两个磁通元件分别为第一磁通元件101、第二磁通元件102。

所述励磁线圈缠绕在磁通元件上，其中，第一励磁线圈201、第二励磁线圈201分别缠绕在第一磁通元件101、第二磁通元件102上，能够沿着磁通元件上下移动，产生交变磁场且同一时刻磁场方向相反，与永磁体400自身磁场进行叠加，导致第一磁控形状记忆合金元件501与第二磁控形状记忆合金元件502中穿过的磁场大小不一致并交替变化，推动第一压电陶瓷块601上下移动。第一励磁线圈201、第二励磁线圈201可以为串联或并联连接，串联时要求两线圈的绕线方向相反，并联时要求两线圈的绕线方向相同。在实际应用中，两线圈中不管多少匝线圈，需要产生反向磁场分别抵消或叠加各自就近的那个永磁体磁场，当上下两个永磁体磁场强度相同时，那么两组线圈最大磁场强度相同，如果两个永磁体磁场强度不同，那么2组线圈最大磁场强度可以不同，代价是2个形状记忆合金尺寸将不一致，2个压电陶瓷形状将不一致。

所述隔磁框300，具有隔绝磁场通过的特性，固连在两个励磁线圈中间，使磁感线不会从中间通过，隔绝磁场。

所述永磁体可产生固定的磁场，与隔磁框300固连。第一永磁体401、第二永磁体402的N级对第一磁通元件101，S级对第二磁通元件102，第一永磁体401下表面固连在隔磁框300上表面上，第二永磁体402上表面固连在隔磁框300下表面上。

所述磁控形状记忆合金元件具有横向磁场增强，纵向伸长特性，输出能量密度大，响应频率高以及变形率大。磁控形状记忆合金元件分为第一磁控形状记忆合金元件501、第二磁控形状记忆合金元件B502，第一磁控形状记忆合金元件501的上表面固连在隔磁框300内的上表面，第二磁控形状记忆合金元件502的下表面固连在隔磁框300内的下表面。

所述压电陶瓷块分为第一压电陶瓷块601、第二压电陶瓷块602，具有通电后横向伸缩特性，第一压电陶瓷块601固连在磁控形状记忆合金元件500之间，第二压电陶瓷块602上表面与隔磁框300下表面固连。在实际应用中，第二压电陶瓷块602也可以放置在第一永磁体401的下表面与隔磁框300上表面上。

所述输出轴700，下表面固连在第一永磁体401上表面上。

该尺蠖直线驱动器的驱动原理为：励磁线圈产生交变的磁场，与永磁体自身磁场进行叠加，导致磁控形状记忆合金元件501与磁控形状记忆合金元件502中穿过的磁场大小不一致并交替变化，推动压电陶瓷块上下移动。

具体的驱动方法包括：

对两个励磁线圈组、第二压电陶瓷块602供电，使第二压电陶瓷块602与两个磁通元件过盈配合后，两个磁控形状记忆合金元件推动第一压电陶瓷块601下移；

对第一压电陶瓷块601进行上电，使压电陶瓷块601与两个磁通元件过盈配合，再对第二压电陶瓷块602进行断电；

待两个励磁线圈磁场方向改变后，两个磁控形状记忆合金元件利用推第一压电陶瓷块的反作用力，带动两个励磁线圈、隔磁框300、两个永磁体、两个磁控形状记忆合金元件、两个压电陶瓷块、输出轴700形成的整体上移；

上移完成时，再对第二压电陶瓷块602供电，使第二压电陶瓷块602与两个磁通元件过盈配合，再对第一压电陶瓷块601进行断电，使第一压电陶瓷块601与两个磁通元件间隙配合，实现对两个磁控形状记忆合金元件的位移叠加。

以上所述实施例只是本发明较优选具体实施方式，本领域技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器，其特征在于，包括定子、动子；

所述定子为磁通元件，包括第一磁通模块、第二磁通模块；

所述动子放置在第一磁通模块、第二磁通模块之间，能够相对第一磁通模块、第二磁通模块进行上下移动；动子通过与上述两个磁通模块的间隙配合、过盈配合切换，实现直线运动。

2.根据权利要求1所述的一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器，其特征在于，动子包括励磁线圈、隔磁框、永磁体、磁控形状记忆合金元件、压电陶瓷块、输出轴；

第一励磁线圈组、第二励磁线圈组分别缠绕在第一磁通模块、第二磁通模块上，产生交变磁场且同一时刻磁场方向相反；

隔磁框固连在第一励磁线圈组、第二励磁线圈组之间；

第一磁控形状记忆合金元件的上表面固连在隔磁框内的上表面，第二磁控形状记忆合金元件的下表面固连在隔磁框内的下表面；

第一永磁体下表面固连在隔磁框上表面上，第二永磁体上表面固连在隔磁框下表面上，两个永磁体安装后的磁极朝向相同；

第一压电陶瓷块固连在上述两个磁控形状记忆合金元件之间，第二压电陶瓷块的上表面与第二永磁体的下表面固连；

输出轴的下表面固连在第一永磁体上表面上。

3.根据权利要求2所述的一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器，其特征在于，两个磁通元件只与动子中两个压电陶瓷块存在接触关系；通过对压电陶瓷块供电，实现压电陶瓷与磁通元件之间间隙配合与过盈配合的切换。

4.根据权利要求2所述的一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器，其特征在于，还包括控制器，控制第一励磁线圈组、第二励磁线圈组、第一压电陶瓷块、第二压电陶瓷块的供断电。

5.根据权利要求2所述的一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器，其特征在于，第一励磁线圈组、第二励磁线圈组串联，两个线圈组绕磁通元件的绕线方向相反。

6.根据权利要求2所述的一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器，其特征在于，第一励磁线圈组、第二励磁线圈组并联，供电时，上述两个线圈组绕向方向相同。

7.根据权利要求2所述的一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器，其特征在于，每一个压电陶瓷块距离磁通元件的单边间距、与两个磁通元件间距的比例不大于1:1000。

8.根据权利要求2所述的一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器，其特征在于，根据要求提供的直线驱动功率，尺蠖直线驱动器能够组合使用。

9.根据权利要求2所述的一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器，其特征在于，第二压电陶瓷块固连在第一永磁体下表面、隔磁框上表面之间。

10.一种差动磁控形状记忆合金的尺蠖直线驱动器驱动方法，其特征在于，包括：

对两个励磁线圈组、第二压电陶瓷块供电，使第二压电陶瓷块与磁通元件过盈配合后，两个磁控形状记忆合金元件推动第一压电陶瓷块下移；

对第一压电陶瓷块通电，使第一压电陶瓷块与磁通元件过盈配合后，对第二压电陶瓷块断电；

待两个励磁线圈组磁场方向改变后，两个磁控形状记忆合金元件利用推第一压电陶瓷块的反作用力，带动两个励磁线圈组、隔磁框、两个永磁体、两个磁控形状记忆合金元件、两个压电陶瓷块、输出轴上移；

输出轴上移完成时，对第二压电陶瓷块供电，使第二压电陶瓷块与磁通元件过盈配合后，再对第一压电陶瓷块断电，使第一压电陶瓷块与磁通元件间隙配合，实现对磁控形状记忆合金元件的位移叠加。

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