CN1474504A - 磁控形状记忆合金蠕动型直线电机 - Google Patents

Abstract

一种磁控形状记忆合金(MSMA)蠕动型直线电机主要由MSMA动子、铁心、励磁绕组、输出轴、连杆、支架、夹钳、位移传感器、控制器等组成。带有气隙的铁心使位于气隙中的MSMA的磁场强度与励磁绕组电流成正比，改变励磁绕组电流可控制MSMA的变形量，励磁绕组断电后靠放置在MSMA长轴方向上弹簧的预压力使MSMA恢复原形，根据仿生学蠕动原理，通过对励磁绕组和左右夹钳控制信号的逻辑控制，实现将MSMA小步距的变形连续累加形成所需要的大行程，该种直线电机结构简单，控制方便，力能密度高，动态响应速度快，不需要附加制动装置，断电后具有自锁定功能，特别适用于高精度的运动与位置控制执行器。

Description

磁控形状记忆合金蠕动型直线电机

所属技术领域

本发明属于一种电机，特别涉及一种磁控形状记忆合金蠕动型直线电机。

背景技术

现代工业，特别是微型机器人和计算机控制技术的发展，对体积小、重量轻和高力能密度运动及位置控制直线执行器的要求越来越高。采用传统技术制造的直线电机不仅功率密度低，而且需要机械传动机构或变速系统，致使结构与控制技术比较复杂。为此，利用新型功能材料制造直线电机的研究受到人们的关注。目前这类材料的代表是压电陶瓷、磁致伸缩材料以及形状记忆合金。压电陶瓷在电场作用下的变形率为0.3μm/mm，超磁致伸缩材料在磁场作用下的变形率为1.6μm/mm。上述两种材料的变形量过小，难以直接用于制造直线电机。形状记忆合金的变形率较大，可达60～80μm/mm，较适合于制造直线电机。形状记忆合金有温控型和磁控型两种，前者是靠温度变化来控制材料的变形，后者是用改变磁场的大小来控制材料的变形。由于升温和降温皆需要一个过程，从而限制了温控型执行器的动态响应速度及应用范围。

磁控形状记忆合金MSMA(Magnetically Controlled Shape Memory Alloy)是1993年才被发现的一种新型具有形状记忆功能的合金材料，不仅变形率大，而且易于控制，变形率与所施加的磁场强度有较好的线性关系；动态响应速度高，是温控型形状记忆合金频率响应的80倍，可以满足一般自动控制系统对执行器动态响应速度的要求；具有较高的能量转换效率和功率密度。

发明内容

针对现有直线电机存在的问题，本发明提供一种磁控形状记忆合金蠕动型直线电机。

本发明的磁控形状记忆合金蠕动型直线电机主要由MSMA动子、用以产生磁场的铁心和励磁绕组、直线位移输出轴、联接动子与输出轴的连杆、控制运动方向的夹钳、检测输出轴位置的传感器以及用以励磁绕组和夹钳的控制器等零部件组成。在底座上装有支架，底座的两端设有位置传感器，位移输出轴装在支架的轨道上，位于位移传感器的上方，在输出轴的上方设有带励磁绕组的铁心，在铁心的气隙中装有非导磁壳体，在非导磁壳体内放置MSMA材料，在MSMA材料件的一端设有弹簧和连杆，连杆与位移输出轴从其钳口穿过的左夹钳连接，右夹钳固定在底座上，位移输出轴从其上方夹口穿过。

MSMA动子在铁心和励磁绕组电流产生的磁场作用下产生变形，通过连杆机构带动输出轴的移动，励磁绕组断电后靠放置在MSMA长轴方向上的弹簧使MSMA恢复原形，通过对励磁绕组和左右夹钳控制信号的逻辑控制，将MSMA小步距的变形连续累加形成所需要的大行程。

输出轴两端装设夹钳，通过对MSMA励磁绕组及左右夹钳的逻辑控制，实现直线电机的位移方向控制以及将MSMA小步距变形连续累加形成直线电机所需要的大行程，MSMA励磁绕组及左右夹钳控制绕组的电流可为直流也可为交流。

采用带有气隙的铁心使位于气隙中MSMA内部磁场强度与励磁绕组的电流成正比，因而可以通过改变励磁绕组电流的大小控制MSMA的变形量，通过对励磁绕组供电频率和电流大小的综合控制，可以控制直线电机的位移速度。

本发明的关键技术之一是如何控制磁场的大小使磁控形状记忆合金材料产生所需要的变形量，而去掉磁场之后材料能恢复原来的形状。本发明采用带有气隙的铁心使位于气隙中MSMA的内部磁场强度与励磁绕组的电流成正比，因而可以通过改变励磁绕组电流的大小控制MSMA的变形量，铁心和励磁绕组参数是基于MSMA的磁控特性经过磁场分析确定的。去掉磁场时MSMA变形的恢复是靠放置在MSMA长轴方向上弹簧的预压力来实现的，恢复弹簧的预压力必须适当，过大或过小都不行。本发明备有弹簧压力的调整装置，可保证弹簧的预压力与MSMA的磁控特性相匹配。

虽然MSMA材料的变形率较大，但仍难以直接用来制造大行程的的直线电机，如何利用MSMA的小变形产生所需要的大行程，是本发明的另一关键技术。本发明根据仿生学爬行类动物的蠕动原理，在输出轴的两端装设夹钳，通过对励磁绕组和左右夹钳控制信号的逻辑控制，实现了将MSMA小步距的位移连续累加形成直线电机所需要的大行程。

本发明的创新点是将新型功能材料磁控形状记忆合金用于直线电机，利用仿生学爬行动物蠕动原理，实现了一种可获得大行程的蠕动型磁控形状记忆合金直线电机。该种直线电机结构简单，控制方便，力能密度高，动态响应速度快，不需要附加的制动装置，断电后电机具有自锁定功能，动子可停在所需要的位置，特别适用于高精度的运动与位置控制执行器。

附图说明

图1为本发明工作原理图，

图2为本发明结构示意图，

图3为本发明的磁路结构示意图。图3用以说明MSMA材料产生控制磁场的铁心与励磁绕组结构。

图中：1铁心，2 MSMA材料，3非导磁壳体，4弹簧，5连杆，6左夹钳，7、8、9支架，10右夹钳，11、12位置传感器，13直线位移输出轴，14底座，15励磁绕组。

具体实施方式

如附图2所示，本发明主要由MSMA动子2、用以产生磁场的铁心1和励磁绕组15、直线位移输出轴13、联接动子与输出轴的连杆5、用以支撑输出轴并作导轨用的支架7、8和9、控制运动方向的左夹钳6和右夹钳10、检测输出轴位置的传感器11和12、底座14，以及用以励磁绕组和夹钳的控制器(图中未给出)等另部件组成。

在底座14上装有支架7、8、9，在底座的两端设有位置传感器11、12，位移输出轴13装在支架的轨道上，位于位移传感器11、12的上方，在输出轴13的上方设有带励磁绕组15的铁心1，在铁心1的气隙中装有外导磁壳体3，在外导磁壳体3内放置MSMA材料2，在MSMA材料件2的一端设有弹簧4和连杆5，连杆5与装在位移输出轴13从中穿过的左夹钳6连接，右夹钳10固定在底座14上，位移输出轴13从其上方夹口穿过。

本发明的工作原理如图1所示，欲使直线电机向左运动，在施加磁场之前，先将左夹钳松开而右夹钳加紧，如图1a所示。当施加磁场后，由于轴被右夹钳加紧，MSMA在磁场作用下只能沿水平方向向左伸长，如图1b所示。在去掉磁场之前，使左夹钳加紧而右夹钳松开，如图1c所示。当磁场去掉后，因轴被左夹钳夹住，MSMA只能由右向左收缩恢复原形，这样相当于直线电机向左移动了一步，如图1d所示。重复上述操作，直线电机便可连续运动。改变左右夹钳的控制顺序便可使其反方向运动。

采用在磁场作用下变形并具有形状记忆功能的镍-锰-镓(Ni-Mn-Ga)磁控形状记忆合金，其晶格的轴需经过定向处理，易磁化轴(短轴)为直线电机所需要的位移方向，而施加的磁场方向为垂直易磁化轴方向即晶格的长轴方向，在磁场作用下MSMA的易磁化轴转向与外磁场相平行的方向，由于晶格长短轴在磁场作用下的旋转从而产生MSMA的变形。

去掉外磁场作用后MSMA具有形状记忆功能，恢复其原始形状可以采用下述两种方法之一：  将磁场方向旋转90°即沿变形后MSMA的晶格长轴方向施加磁场使晶格在磁场作用下旋转回到原始位置；或者通过对变形后的MSMA晶格长轴方向施加一定压力使其恢复原形。本发明实施例中采用的是第二种方法，即采用弹簧施加预压力的方式。

本发明的磁路结构如图3所示。

当励磁绕组中通一电流(交流或直流)时，在铁心1中产生磁场，MSMA动子2在垂直方向磁场的作用下将产生沿水平方向的伸长，如果此时左夹钳6处于夹紧位置而右夹钳10处于松开位置，则通过连杆5将MSMA的水平方向位移传至输出轴13使其向左移动。在励磁绕组断电之前使左夹钳6处于松开位置而右夹钳10处于夹紧位置，然后切断励磁绕组电源，在恢复弹簧压力的作用下MSMA恢复到原始形状，并通过连杆5将左夹钳6带回到原来的位置。在励磁绕组再次通电前，使左夹钳6处于夹紧位置而右夹钳10处于松开位置，励磁绕组通电后将使输出轴再次向左移动一步。重复上述步骤可使输出轴一步一步地向左移动，通过位移传感器检测到输出轴到达最大行程后，改变左右夹钳的控制逻辑关系使输出轴向反方向移动，通过改变励磁绕组的通电频率可控制输出轴的移动速度。附图2中的实际结构与附图1原理图中的结构有所不同，其优点是将MSMA的变形通过连杆带动输出轴的移动，只需要输出轴有大行程的位移而MSMA动子的位移量很小，因而所需要的铁心和励磁绕组尺寸较小。本发明实施例中，MSMA动子采用镍-锰-镓(Ni-Mn-Ga)磁控形状记忆合金，几何尺寸为5×5×20mm，在磁场强度400kA/mm作用下的最大自由变形率为61μm/mm，铁心采用0.5mm厚电工钢片叠压而成，左右夹钳采用电磁铁控制，励磁绕组和夹钳控制绕组皆采用直流供电，位移传感器采用霍尔元件。

Claims (5)

1.一种磁控形状记忆合金蠕动型直线电机，包含有支架、连杆、夹钳、直线位移输出轴、位置传感器、铁心和励磁绕组，其特征在于该电机的铁心气隙中设有MSMA动子。

2.如权利要求1所述的磁控形状记合金蠕动型直线电机，其特征在于支架固定在底座上，底座的两端设有位置传感器，位移输出轴装在支架的轨道上，输出轴的上方设有铁心和励磁绕组，在铁心的气隙中设有MSMA动子，在MSMA动子的一端设有弹簧和连杆，连杆与左夹钳相连，右夹钳固定在底座上，位移输出轴从左、右夹钳的下、上夹口穿过。

3.如权利要求1所述的磁控形状记合金蠕动型直线电机，其特征在于所述铁心气隙中的MSMA动子采用的镍—锰—镓磁控形状记忆合金，其晶格的轴是经过定向处理的。

4.如权利要求1所述的磁控形状记合金蠕动型直线电机，其特征在于所述动子一端设置了弹簧配有压力调整装置。

5.如权利要求1所述的磁控形状记合金蠕动型直线电机，其特征在于所述励磁绕组和左、右夹钳分别与其逻辑控制装置相联。

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