CN201038194Y - 磁致伸缩装置以及采用该装置的直线电机与振动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种利用磁致伸缩装置产生直线运动的装置，尤其涉及一种磁致伸缩装置以及采用该装置的直线电机与振动装置，其中磁致伸缩装置的永磁体两极分别通过刚性导磁支架与磁致伸缩体、刚性导磁棒连接组成一个磁通回路，该永磁体位于驱动装置上并通过驱动装置带动，可在与其内部磁力线垂直的平面内相对于刚性导磁支架循环运动；直线电机中磁致伸缩装置的刚性导磁棒上固接刚性非导磁棒，导轨杆通过刚性非导磁棒可与磁致伸缩装置接触；振动装置中的磁致伸缩装置一侧固定，另一侧与导轨杆通过刚性非导磁棒固定连接。采用本装置可提高直线运动精度并使装置整体结构和控制环节大大简化。

Description

磁致伸缩装置以及采用该装置的直线电机与振动装置

技术领域

本实用新型涉及一种磁致伸缩装置，尤其涉及一种利用磁致伸缩装置产生直线运动的装置。

背景技术

近些年来，由于巨磁致伸缩材料具有相对以往压电类伸缩材料更巨大的应变能力而得到了科研和工程技术人员的广泛重视，现有技术中的巨磁致伸缩材料(如Terfenol-D)是一种在磁场作用下可以产生伸缩形变的新型智能材料，目前，有关利用巨磁致伸缩材料成功研制高性能精密驱动器和精密直线电机的报道已不鲜见，国外个别公司已研制出相关产品并投入市场。

磁致伸缩机理：是指物体因其磁化强度的变化而产生形变的现象，如图2(a)与(b)所示，当将原长为L₀的磁致伸缩体1置于外部励磁场时，其形状会伸长为L₁，变化长度为ΔL，并且该变化的大小与永磁体7的励磁强度成正比。所以，当以能使一永磁体7靠近或远离一磁致伸缩材料体或利用磁路71将永磁体磁场导入或导出磁致伸缩体1，那么磁致伸缩体1的长度将会发生伸长或收缩(复原)变化。

尺蠖运动机理：如图1(a)为尺蠖运动机理示意图，一个典型的尺蠖运动机构有两个箝位部分A′和C′(可采用磁致伸缩装置实现箝位)，以及一个伸缩部分B′(可采用磁致伸缩装置实现伸缩)组成。其中，A′和C′可以通过控制实现箝位卡紧和箝位释放过程，B′可以实施伸长或缩短动作。如图所示，完成一个单步尺蠖运动要通过六个分步动作来实现，并且单步尺蠖运动可以被积累最终实现长行程或无限行程运动。通过改变A′和C′的箝位顺序可以使尺蠖运动方向发生变化，而实现相反方向运动。

尺蠖运动还有另外一种模式，如图1(b)所示，在这种模式中机体本身不移动，移动部分为中间的横杆。该横杆在如图注释的六个分步作用下将进行一个单步尺蠖位移运动，但运动方向与前一模式相反。

现有技术中有采用磁致伸缩与尺蠖运动机理制成的直线电机，如2004年2月11日公开的公开号为CN1474504A的中国专利，其公开了一种磁控形状记忆合金蠕动型直线电机，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，改变励磁绕组的电流可以控制MSMA的变形量。但是由于磁致伸缩材料必须在时变磁场强度作用下才可能产生伸长、收缩或复原等动作，从而使磁致伸缩驱动广泛采用电磁驱动方式，以便产生时变磁场。然而，这种驱动方式下的电磁线圈会产生热损耗和热辐射，特别是在需要强磁场的大电流以及高频激励的情况下，会对包裹在线圈内或螺线管中央的磁致伸缩材料产生很大的热涨效应，这种热涨效应将直接影响磁致伸缩材料的伸缩性能，特别是在一些需要产生精确伸缩的应用场合，这种热涨负作用尤为明显。

最近，一些学术研究文章对此类问题都有关注，为减少可能的热涨效应，避免影响所设计的精密驱动机构或电机的性能，设计人员往往在机构设计中要考虑循环冷却系统，使得基于磁致伸缩材料驱动器件结构复杂、环节多、性价比低。另外，基于磁致伸缩材料驱动所研发的直线电机，特别是利用尺蠖运动原理设计制造的直线电机，往往需要至少三路电流激励和控制系统才能实现箝位一伸缩交替动作的尺蠖运动。这样，一方面箝位动作的电(电致箝位机构如压电箝位方式)或电磁(磁致伸缩箝位机构)环节又进一步增加了机体的热损耗和热辐射，另一方面电流的控制信号和电源系统也将更复杂。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述缺陷，提供一种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实现尺蠖运动直线装置，利用本发明方法设计的直线运动电机或振动器，可以不使用电磁线圈，从而可以完全避免电磁线圈对磁致伸缩材料产生的热涨负效应。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：磁致伸缩装置包括一个磁通回路，所述磁通回路中包括刚性导磁支架、磁致伸缩体，刚性导磁支架的一侧或相对的两侧设有贯通口，贯通口内设置相对于贯通口可自由运动的刚性导磁棒，磁致伸缩体通过刚性导磁棒与刚性导磁支架组成封闭框架，所述的磁通回路中还包括永磁体，永磁体两极分别通过刚性导磁支架与磁致伸缩体、刚性导磁棒连接组成一个磁通回路，该永磁体位于驱动装置上并通过驱动装置带动，可在与其内部磁力线垂直的平面内相对于刚性导磁支架循环运动。

驱动装置包括由动力带动的旋转轴和与该轴同心的飞轮，飞轮为非导磁材料，固接在旋转轴上，永磁体位于飞轮外沿；飞轮上设置一个或一个以上永磁体，设置一个以上永磁体飞轮的相邻的永磁体之间通过非导磁材料间隔；旋转轴上设置至少一个飞轮；设置多个飞轮的装置，各飞轮上的永磁体沿旋转轴轴向的投影为部分重合；磁致伸缩体与刚性导磁支架接触的一侧或两侧设置弹簧。

采用上述磁致伸缩装置的直线电机包括磁致伸缩装置、导轨杆，磁致伸缩装置的刚性导磁棒上固接刚性非导磁棒，导轨杆通过刚性非导磁棒可与磁致伸缩装置接触。磁致伸缩装置的旋转轴上设置两个飞轮，两个飞轮分别对应两个刚性导磁支架，分别为箝位刚性导磁支架与伸缩刚性导磁支架。伸缩刚性导磁支架一侧固定，另一侧通过刚性非导磁棒与箝位刚性导磁支架固定连接，箝位刚性导磁支架的刚性非导磁棒与导轨杆存在间隙，其间隙小于磁致伸缩装置中磁致伸缩体的形变量。磁致伸缩装置的旋转轴上设置三个飞轮，三个飞轮分别对应三个刚性导磁支架，分别为两个箝位刚性导磁支架与一个伸缩刚性导磁支架。伸缩刚性导磁支架固定，其通过刚性非导磁棒分别固接两箝位刚性导磁支架，箝位刚性导磁支架的刚性非导磁棒与导轨杆存在间隙，其间隙小于磁致伸缩装置中磁致伸缩体的形变量。采用上述磁致伸缩装置的振动装置包括磁致伸缩装置、导轨杆，磁致伸缩装置一侧固定，另一侧与导轨杆通过刚性非导磁棒固接。

在磁致伸缩体与刚性导磁支架的一侧或两侧设置弹簧，弹簧可以增加预压力使磁致伸缩体具有更好的伸长和复位效果，从而可以达到更准确的实现位移精度；可在与磁致伸缩体连接的刚性导磁支架的两边之间设置非导磁固定杆，磁致伸缩体设置在刚性导磁支架与非导磁固定杆组成的框架内，这样可防止磁致伸缩体与刚性导磁支架脱离。其中根据实际设计需要，永磁体可以是具有能产生均匀磁场强度的永磁体，可以是具有能产生梯度磁场强度的永磁体，可以是能够产生具有相位差磁场的永磁体组合。利用能够使永磁体产生旋转或移动动作的机构使永磁体相对磁致伸缩体、箝位体之间相对距离发生变化使磁场强度连续变化而使磁致伸缩体产生伸或缩的效应，使箝位体与刚性支架之间产生应力增加或缩小的效应，从而可以实现利用尺蠖运动机理设计的“箝位一伸缩一箝位”机构动作的直线运动，制成直线电机，此结构还可用于制造驱动器、传动机构、机电一体化系统、机器人等。此直线电机无需电磁环节和冷却系统，提高了磁致伸缩材料的伸缩精度，进而提高电机直线运动精度并使电机整体结构和控制环节大大简化。

因此，根据如图1所示尺蠖运动机理，当引入一永磁场并且该永磁场可以产生有时序的交替作用能使伸缩装置A’、B’、C’三部分能实现尺蠖运动的六个分步动作，一个在永磁场作用下的直线运动电机便可以实现。

与现有技术相比，本发明创造具有如下优点以及技术效果：

1、可实现无需电磁线圈的无热耗损磁致伸缩驱动；

2、可实现无刚性接触，无摩擦力的磁结联传动驱动；

3、可实现无需三路电源控制或无需电源驱动的尺蠖运动；

4、可方便实现由旋转运动转化为直线运动，或由一个方向的直线运动转化为另一个方向直线运动的传动；

5、可以制成振动或应力波源。

附图说明

图1为尺蠖运动原理图：

1)  A卡紧，B、C释放示意图；

2)  A卡紧，B伸长，  C释放示意图；

3)  A、C都卡紧，同时B伸长示意图；

4)  A释放，B伸长，C卡紧示意图；

5)  A释放，B收缩，C卡紧示意图；

6)  A卡紧；B、C释放示意图。

图2为永磁作用下磁致伸长材料伸缩示意图；

图3为实施例1结构示意图；

图4为图3磁致伸长部件结构放大示意图；

图5为实施例1中旋转轴与飞轮的结构示意图；

图6为实施例1中A、B、C三部分受永磁体作用的磁场时序图；

图7为实施例2结构示意图；

图8为实施例3结构示意图。

具体实施方式

磁致伸缩装置包括一个磁通回路，所述磁通回路中包括刚性导磁支架3、磁致伸缩体1，刚性导磁支架3的一侧或相对的两侧设有贯通口10，贯通口10内设置相对于贯通口10可自由运动的刚性导磁棒8，磁致伸缩体1通过刚性导磁棒8与刚性导磁支架3组成封闭框架，所述的磁通回路中还包括永磁体7，永磁体7两极分别通过刚性导磁支架3与磁致伸缩体1、刚性导磁棒9连接组成一个磁通回路，该永磁体7位于驱动装置上并通过驱动装置带动，可在与其内部磁力线垂直的平面内相对于刚性导磁支架3循环运动。驱动装置包括由动力带动的旋转轴6和与该轴同心的飞轮2，飞轮2为非导磁材料，固接在旋转轴6上，永磁体7位于飞轮2外沿。

实施例1

采用上述磁致伸缩装置可制成直线电机，直线电机包括磁致伸缩装置与导轨杆4，磁致伸缩装置的刚性导磁棒9上固接刚性非导磁棒8，导轨杆4通过刚性非导磁棒8可与磁致伸缩装置接触。在磁致伸缩装置的旋转轴6上设置三个飞轮2，每个飞轮2都是由永磁体7(分别标注为a、b、c)和非永磁体E构成；三个飞轮2分别对应三个刚性导磁支架3，其与磁致伸缩体1、刚性导磁棒9组成完整的磁通回路；由于磁致伸缩装置A、C相对于磁致伸缩装置B会产生位移，所以磁致伸缩装置A、C中贯通口10的宽度要稍大于磁致伸缩装置B中磁致伸缩体1的最大形变量的一半与飞轮2宽度之和，这样磁致伸缩装置A、C在相对于磁致伸缩装置B移动的过程中，  磁致伸缩装置A、C中的飞轮2可以避免与刚性导磁支架3碰撞。

在磁场作用下磁致伸缩装置A、C可分别通过刚性非导磁棒8与导轨杆4紧密配合，无磁场作用时刚性非导磁棒8与导轨杆4具有一定的间隙，磁致伸缩装置A与C之间通过磁致伸缩装置B连接。装配飞轮2时，使永磁体a、b与c之间的相对位置要有一定的错位，即如图4所示T向投影到一平面时永磁体a、b、c能够产生如图5(c)所示的投影重合，其图中abc表示三个永磁体投影重合，ab和bc表示永磁体投影两个重合，a、c表示永磁体投影不重合。这样，当永磁体a、b、c旋转时相对尺蠖运动机构A、B、C励磁会产生如图6所示的励磁时序。磁致伸缩装置在受磁场作用时与导轨杆4之间紧密配合，导轨杆4表现为被锁定；在磁致伸缩装置不受磁场作用时，由于磁致伸缩体1恢复形变，可使磁致伸缩装置与导轨杆4分离。为了使磁致伸缩装置在去掉磁场时能够完全恢复原形，在磁致伸缩体1与刚性导磁支架3之间设置弹簧5，如图4中(a)-(c)所示，可以有不同的设置方式。弹簧5可以增加预压力使磁致伸缩体1能够更好地复位，从而可以产生更好的伸缩效果；为防止磁致伸缩体1与刚性导磁支架3脱离，在与磁致伸缩体1连接的刚性导磁支架3的两边之间设置非导磁固定杆11，磁致伸缩体1设置在刚性导磁支架3与非导磁固定杆11组成的框架内。

按照图6所示的励磁时序，完成一个完整的工作过程如下：

1)当磁致伸缩装置A、B、C都没有磁场时，磁致伸缩装置A、C分别与导轨杆4分离，导轨杆4不移动；

2)当磁致伸缩装置A有磁场，磁致伸缩装置B、C没有磁场时，磁致伸缩装置A产生形变与导轨杆4紧密配合，磁致伸缩装置B、C不变形，导轨杆4不移动；

3)当磁致伸缩装置A、B有磁场，磁致伸缩装置C没有磁场时，磁致伸缩装置A、B产生形变，磁致伸缩装置C不变形，磁致伸缩装置B产生伸长的形变将磁致伸缩装置A与C向外扩张，由于磁致伸缩装置C与导轨杆4分离，磁致伸缩装置A产生形变，与导轨杆4之间紧密配合，将带动导轨杆4共同向左直线移动；

4)当磁致伸缩装置A、B、C有磁场，磁致伸缩装置A、B、C都产生形变，磁致伸缩装置A、C与导轨杆4紧密配合，导轨杆4表现为锁定；

5)当磁致伸缩装置A去掉磁场，磁致伸缩装置B、C有磁场时，磁致伸缩装置A恢复形变与导轨杆4分离，磁致伸缩装置B、C产生形变，导轨杆4不移动；

6)当磁致伸缩装置A、B去掉磁场，磁致伸缩装置C有磁场时，磁致伸缩装置A、B恢复形变，磁致伸缩装置C产生形变，磁致伸缩装置B恢复形变将磁致伸缩装置A与C向里收缩，由于磁致伸缩装置A与导轨杆4分离，磁致伸缩装置C将带动导轨杆4共同向左直线移动；

7)当磁致伸缩装置A、B、C都没有磁场时，磁致伸缩装置又开始重复上述工作流程。

当旋转轴6旋转一周，磁致伸缩装置将使导轨杆4前进两步；如果将旋转轴6连续旋转，那么导轨杆4的单步运动位移将累积，使导轨杆4产生大行程甚至无限行程运动。同样，如果将旋转轴6反方向旋转，导轨杆4也将产生反向运动，从而导轨杆4可以产生前进或后退的运动，即直线电机得以实现。旋转轴6旋转可以采用旋转电机甚至手动实现；该过程也即为将一个旋转运动转化为直线运动。

实施例2

本发明直线电机还可以是只有一个箝位部分和一个伸缩部分组成的结构，即磁致伸缩装置B、C，相应的设置两个飞轮2，如图7所示。在旋转轴6上设置两个飞轮2，两个飞轮2分别与对应的磁致伸缩装置B、C中的刚性导磁支架3以及磁致伸缩体1、刚性导磁棒9组成完整的磁通回路；在磁场作用下磁致伸缩装置C与导轨杆4紧密配合，磁致伸缩装置C通过磁致伸缩装置B控制左右运动。装配飞轮2时，使永磁体b与c之间的相对位置要有一定的错位，即如图7中(b)所示T向投影到一平面时永磁体b、c能够产生如图所示的投影重合，其图中bc表示永磁体投影重合，b、c表示永磁体投影不重合。这样，当永磁体b、c旋转时相对磁致伸缩装置B、C励磁时会产生如图6类似的励磁时序。为了避免磁致伸缩装置C移动的过程中飞轮2与刚性导磁支架3碰撞，磁致伸缩装置C中贯通口10的宽度要稍大于磁致伸缩装置B中磁致伸缩体1的最大形变量与飞轮2宽度之和。

使旋转轴6正向旋转时能产生“箝位—伸长—箝位释放—复原”或反向旋转时产生“伸长—箝位—伸长复原—箝位释放”  的时序动作。此时，随旋转轴6正向或反向旋转导轨杆4可以被正向或反向“搓”动。

实施例3

采用上述磁致伸缩装置可制成一种振动装置，如图8所示，只保留磁致伸缩装置B，并将伸缩机构B一端固定，另一端自由释放；在旋转轴6上设置一个飞轮2，飞轮2与磁致伸缩装置B中的刚性导磁支架3以及磁致伸缩体1、刚性导磁棒9组成完整的磁通回路；那么随着旋转轴6旋转，永磁体b作用于磁致伸缩装置B时会产生伸长和复原，当旋转轴6高速旋转时，相应伸缩频率升高，以致在磁致伸缩装置B的自由端通过导轨杆4产生应力波。该应力波可以作为振动发生源，也可以用来产生物体表面波，利用该波传导可制造直线或旋转电机，甚至超声电机。此机构中的飞轮2也可以被一个永磁体所替代，但该永磁体要求能够沿与波传导方向相垂直的方向往复或高频往复介入和远离(磁致伸缩)磁路，产生振动或应力波。

本发明并不限于上述三种实施方式，其结构以及永磁部分可以设置成不同的形式。本发明中所述的每一个飞轮2还可分别由一个以上的永磁体7(如a对应有永磁体a’)和非永磁体E构成；并且两个永磁体7的极性要相反，即如果a(b、c同样)为N-S极；则a’(b’、c’同样)为S-N极；并且a、a’(b、b’和c、c’)之间被非磁体E隔开。由于磁致伸缩体1在没有预磁偏置时其伸长与磁场的方向无关，所以具有两种极性磁铁交替作用时，可使磁致伸缩频率加倍；并且相互消除各自在磁路中的剩磁，以及缓解或抵充两种极性磁铁分别在磁致伸缩体1中产生的磁滞回偏差，这样可使驱动位移更精确。另外，每个飞轮2上的永磁体7还可以是同方向的两个或两个以上(如两个彼此间隔开的扇形永磁体)，也分别配制成前述单一永磁体时的对应位错结构，那么当旋转轴6旋转一周时运动磁致伸缩装置将会被励磁两次或两次以上，即旋转轴6旋转一周导轨杆4将前进两步或多步。

本发明直线电机中所需飞轮2可以完全设置为永磁体7，相应设置将永磁体7沿与导轨杆4的运动方向垂直的方向推入或移出机构，通过控制并按所需时序，可以产生与飞轮2转动相同的效果。

另外，为使机构动作平稳，在本发明中所用的永磁体7也可以制成有一定磁场强度梯度的永磁体，即永磁体7施加永磁激励时有一个由弱磁场到强磁场逐渐增加磁场或反之由强到弱逐渐减弱磁场的过程，避免瞬间阶跃励磁冲击。同时，单个永磁体7的形状和轮组中永磁体7的形状和相互之间的配制、对应位置关系都可以根据控制时序要求或运动性能要求而作相应改变。

最后要说明的是：在高频永磁激励时，即飞轮2需高速旋转或永磁体7高频往复运动励磁情况下，电机机构中的磁致伸缩体1以及相应的构成磁路的导磁材料体都应作片状化处理以尽量避免产生涡流和发热。

Claims (12)

1.一种磁致伸缩装置，它包括一个磁通回路，所述磁通回路中包括刚性导磁支架、磁致伸缩体，刚性导磁支架的一侧或相对的两侧设有贯通口，贯通口内设置相对于贯通口可自由运动的刚性导磁棒，磁致伸缩体通过刚性导磁棒与刚性导磁支架组成封闭框架，其特征在于所述的磁通回路中还包括永磁体，永磁体两极分别通过刚性导磁支架与磁致伸缩体、刚性导磁棒连接组成一个磁通回路，该永磁体位于驱动装置上并通过驱动装置带动，可在与其内部磁力线垂直的平面内相对于刚性导磁支架循环运动。

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩装置，其特征在于驱动装置包括由动力带动的旋转轴和与该轴同心的飞轮，飞轮为非导磁材料，固接在旋转轴上，永磁体位于飞轮外沿。

3.根据权利要求2所述的磁致伸缩装置，其特征在于飞轮上设置一个或一个以上永磁体，设置一个以上永磁体飞轮的相邻的永磁体之间通过非导磁材料间隔。

4.根据权利要求3所述的磁致伸缩装置，其特征在于旋转轴上设置一个或一个以上飞轮。

5.根据权利要求4所述的磁致伸缩装置，其特征在于旋转轴上设置一个以上飞轮的装置，其各飞轮上的永磁体沿旋转轴轴向的投影为部分重合。

6.根据权利要求5所述的磁致伸缩装置，其特征在于在磁致伸缩体与刚性导磁支架接触的一侧或两侧设置弹簧。

7.一种采用权利要求1-6任一权利要求所述的直线电机，其特征在于直线电机包括磁致伸缩装置、导轨杆，磁致伸缩装置的刚性导磁棒上固接刚性非导磁棒，导轨杆通过刚性非导磁棒可与磁致伸缩装置接触。

8.根据权利要求7所述的直线电机，其特征在于磁致伸缩装置的旋转轴上设置两个飞轮，两个飞轮分别对应两个刚性导磁支架，分别为箝位刚性导磁支架与伸缩刚性导磁支架。

9.根据权利要求8所述的直线电机，其特征在于伸缩刚性导磁支架一侧固定，另一侧通过刚性非导磁棒与箝位刚性导磁支架固接，箝位刚性导磁支架的刚性非导磁棒与导轨杆存在间隙，其间隙小于磁致伸缩装置中磁致伸缩体的形变量。

10.根据权利要求7所述的直线电机，其特征在于磁致伸缩装置的旋转轴上设置三个飞轮，三个飞轮分别对应三个刚性导磁支架，分别为两个箝位刚性导磁支架与一个伸缩刚性导磁支架。

11.根据权利要求10所述的直线电机，其特征在于伸缩刚性导磁支架固定，其通过刚性非导磁棒分别固接两箝位刚性导磁支架，箝位刚性导磁支架的刚性非导磁棒与导轨杆存在间隙，其间隙小于磁致伸缩装置中磁致伸缩体的形变量。

12.一种采用权利要求1-6任一权利要求所述的的振动装置，其特征在于振动装置包括磁致伸缩装置、导轨杆，磁致伸缩装置一侧固定，另一侧与导轨杆通过刚性非导磁棒固定连接。

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