CN103840703A - 环形肋片式超磁致伸缩驱动器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环形肋片式超磁致伸缩驱动器装置，包括输出杆、上端盖、外壳、碟簧、线圈骨架、驱动线圈、超磁致伸缩棒、永磁铁，上端盖、碟簧和输出杆组成预压力组件；驱动线圈、超磁致伸缩棒、永磁铁、空气隙构成磁回路，线圈骨架中心通孔内安装有永磁体，永磁体为分段式圆盘型永磁体，分段式圆盘型永磁体内设置有超磁致伸缩棒。外壳外壁上设有用于增大散热面积和提高传热效率的环形肋片。本发明的偏置磁场的结构采用分段式圆盘型永磁铁，提高芯棒磁场强度，减少磁阻且没有漏磁，减少驱动器的体积，耗能少，发热量低；冷却装置采用环形肋片，增大散热面积，提高传热效率，节省内部空间，结构简单。

Description

环形肋片式超磁致伸缩驱动器装置

技术领域

    本发明涉及一种驱动器装置，尤其是一种超磁致伸缩驱动器装置。

背景技术

现代工业和科学技术的快速发展对精密加工和精密测量等技术提出了更高的要求，精密驱动是其中的关键技术之一，精密驱动技术在精密机械、控制、计算机、微电子技术、热学和光学工程等领域具有广泛的应用前景，要使精密驱动技术达到快速驱动、稳定性好、精度高等要求，需要有先进的控制算法、高精度的测量设备以及高性能的驱动器。作为精密驱动***的核心部件，微驱动器将接收到的控制信号转化为输出位移或力作用在被控对象上，起着至关重要的作用。传统的位移驱动器有机械式、电气式、流体式等，随着航天、军工、机器人、计算机控制等领域的快速发展，传统的驱动器已不能满足高精度、快响应等要求，因此人们开始对新型驱动器进行研究。

对于驱动器的设计，目前国际上微小型驱动器采用的原理大致有以下几种：电磁驱动型、静电引力型、电致伸缩型、磁致伸缩型、形状记忆合金型和热膨胀型。电磁驱动型,即传统的电磁阀，目前常用的电磁阀存在着能量消耗高、线圈升温高、噪声大以及体积大等缺点，这是由于电磁力的驱动效率与电磁线圈的电流密度以及动铁芯的体积有关，这也是阻碍电磁驱动器微型化的一个主要障碍。压电效应型驱动器具有位移控制精度高、响应快、工作频率宽等优点，但压电驱动方式的缺点是驱动电压较高(一般为百伏到万伏之间)、位移量小、电绝缘要求高；另外由于迟滞效应明显，通常要辅以升压和迟滞补偿电路，而且不易控制。形状记忆合金具有力的输出大(约为500MPa)和形变量大(约为5.5%)的优点，但其缺点是响应速度比较慢，而且形变呈阶跃性变化，因此限制了其应用。超磁致伸缩驱动器不仅结构简单、位移大、输出力强，而且机械强度高、过载能力强，易于实现微型化并可采用无线控制。

超磁致伸缩材料是一种将电磁能转换成机械能的新兴智能材料，具有伸缩系数大、响应速度快、机电耦合系数大、承载力强、易于实现低压驱动等优点，目前已受到各国国防、科技和产业界的高度重视。但考虑到超磁致伸缩驱动器的工况，需要解决长时间工作，耗能和发热量大，磁阻过大、漏磁等技术问题。

发明内容

   为解决超磁致伸缩驱动器的工作过程时间长耗能和发热量，以及磁阻过大、漏磁等技术问题，而提供一种环形肋片式超磁致伸缩驱动器装置。该装置主要在偏置磁场设计，冷却装置，预压力装置进行设计，从而达到磁场强度高，减少漏磁、耗能和发热量；对超磁致伸缩材料的磁致伸缩特性影响小，同时提高散热效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种环形肋片式超磁致伸缩驱动器装置，包括输出杆、上端盖、外壳、碟簧、线圈骨架、驱动线圈、超磁致伸缩棒、永磁铁，上端盖、碟簧和输出杆组成预压力组件；驱动线圈、超磁致伸缩棒、永磁铁、空气隙构成磁回路，其特点是：线圈骨架中心通孔内安装有永磁体，永磁体为分段式圆盘型永磁体，分段式圆盘型永磁体内设置有超磁致伸缩棒。

外壳外壁上设有用于增大散热面积和提高传热效率的环形肋片。

本发明与现有技术相比较，具有如下有益效果：

1）偏置磁场的结构采用分段式圆盘型永磁铁，提高芯棒磁场强度，减少磁阻且没有漏磁，减少驱动器的体积，耗能少，发热量低。

    2）冷却装置采用环形肋片，增大散热面积，提高传热效率，节省内部空间，结构简单。

    本装置采用分段式圆盘永磁铁结构提供偏置磁场。同时由于驱动线圈发热、超磁致伸缩材料的涡流及磁滞损耗均导致温度升高，故在超磁致伸缩驱动器的外壁加上环形肋片进行散热，增大散热面积，降低对磁致伸缩效应的影响。

附图说明

图1是本发明的超磁致伸缩驱动器装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种超磁致伸缩驱动器装置主要包括：输出杆1、上端盖2、外壳3、碟簧4、线圈骨架5、驱动线圈6、超磁致伸缩棒7、永磁铁8、环形肋片9、底座10等。其中，上端盖2、碟簧4和输出杆1组成预压力组件,碟簧4作为预压力装置，环形肋片9作为散热装置。驱动线圈6、超磁致伸缩棒7、永磁铁8、空气隙构成磁回路。

线圈骨架5中心通孔内安装有永磁体8，永磁体8为分段式圆盘型永磁体，分段式圆盘型永磁体内设置有超磁致伸缩棒7。外壳3外壁上设有用于增大散热面积和提高传热效率的环形肋片9。

超磁致伸缩驱动器是利用超磁致伸缩棒在外部磁场发生变化时，发生相应伸缩变形的规律设计制作的。由上端盖2、碟簧4和输出杆1组成的预压力组件给超磁致伸缩棒施加一预压力，轴向预压力可使超磁致伸缩材料内部磁畴在零磁场时尽可能地沿着与轴向应力垂直的方向排列；在外加激励磁场作用下，可获得较大的轴向磁致伸缩应变，从而增大位移输出。

超磁致伸缩材料抗拉强度低，因而必须工作在受压条件下，而且适当大小的预压应力可增大它的磁致伸缩量，碟型弹簧4可以产生所需的预压力，并且碟形弹簧体积小、质量轻，对于小型机械来说可以节省空间、减小重量。

超磁致伸缩棒7处在驱动线圈6和偏置磁场产生的磁场中。当改变驱动线圈中的电流时，超磁致伸缩棒就会发生伸缩变形，产生位移输出，所以通过控制超磁致伸缩微位移驱动器中线圈的电流值大小来改变线圈所产生的磁场大小，就可控制超磁致伸缩驱动器的输出位移和力。其中由预紧机构向超磁致伸缩棒施加轴向预压力，它可使超磁致伸缩棒7内部磁畴在零磁场时尽可能地沿着与轴向应力垂直的方向排列；在外加激励磁场作用下，可获得较大的轴向磁致伸缩应变，从而增大位移输出。

超磁致伸缩材料在工作过程中存在着热影响的问题。温度的升高对超磁致伸缩材料磁致伸缩系数的影响十分明显。温度的升高将引起驱动器中的超磁致伸缩棒7的附加热变形，使驱动器的可控位移输出受到影响。驱动线圈6在工作时不可避免地要产生热量，而超磁致伸缩材料棒正好处在线圈的包围之中，激励线圈发热所产生的热量一部分通过壳体传出驱动器以外。因而选择壳体材料时需要其导热能力较强，尽可能使得热能通过外壳3传到空气中，故在壳体外部加上环形肋片9，增大散热面积，使产生的热量迅速传到空气中，减少对超磁致伸缩材料磁致伸缩特性的影响。

本发明在偏置磁场设计方面，采用分段式圆盘型的永磁体，不需要提供恒定的电流来保证偏置磁场强度，因此耗能低，发热量小，而且可大幅减少驱动器的体积；同时加上大磁导率的外壳可提高芯棒中的磁场强度并没有漏磁。在冷却装置方面，采用在驱动器外壁加上环形肋片进行散热，可以不增加辅助设备且不受驱动器内部空间限制，同时肋型散热片增大散热面积。

Claims (2)

1.一种环形肋片式超磁致伸缩驱动器装置，包括输出杆(1)、上端盖(2)、外壳(3)、碟簧(4)、线圈骨架(5)、驱动线圈(6)、超磁致伸缩棒(7)、永磁铁(8)，上端盖(2)、碟簧(4)和输出杆(1)组成预压力组件；驱动线圈(6)、超磁致伸缩棒(7)、永磁铁(8)、空气隙构成磁回路，其特征在于：所述线圈骨架(5)中心通孔内安装有永磁体(8)，永磁体(8)为分段式圆盘型永磁体，分段式圆盘型永磁体内设置有超磁致伸缩棒(7)。

2.根据权利要求1所述的环形肋片式超磁致伸缩驱动器装置，其特征在于：所述外壳(3)外壁上设有用于增大散热面积和提高传热效率的环形肋片(9)。

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