CN105915107B - 带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，包括安装在底盖上部的外壳，安装在底盖上部圆筒磁轭内部的下导磁盖，安装在下导磁盖上部圆筒磁轭内部的线圈骨架，安装在底盖上部的圆筒磁轭，设置在底盖中心处的预紧螺栓，安装在线圈骨架的内孔中，设置在预紧螺栓上方的下导磁块，超磁致伸缩棒安装在下导磁块的圆形凹槽中，安装在超磁致伸缩棒上方的上导磁块，安装在线圈骨架的上方、圆筒磁轭内部中心处带有通孔的上导磁盖，安装在上导磁盖上方的顶盖；下端安装在顶盖中心孔中的阶梯轴形状的传动轴，穿过传动轴上部的预紧盖，安装在传动轴与预紧盖之间碟形弹簧。可有效补偿超磁致伸缩棒的热变形，提高位移输出精度，实现输出位移的准确。
Description
技术领域
本发明涉及超磁致伸缩驱动装置领域， 具体是一种带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器。
背景技术
超磁致伸缩材料是20世纪70年代出现的新型稀土功能材料，该材料是继稀土永磁、稀土发光、稀土高温超导材料之后被视为21世纪提高国家高科技综合竞争力的一种新型战略性功能材料。磁致伸缩效应是该材料的重要物理特性之一，磁致伸缩效应是指铁磁材料或亚铁磁材料受到外加磁场作用后，由于其磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小变化的现象。同时由于该材料具有大磁致伸缩系数、能量密度高、响应快、磁机转换效率高及抗压等特性，所以利用超磁致伸缩材料和磁致伸缩效应可以制作微位移驱动装置，即超磁致伸缩致动器。超磁致伸缩致动器具有输出位移范围大、漂移小、结构简单、易于驱动、工作频率范围宽等优点，因此其在声纳***中得到了广泛的应用，并且在精密加工、超精密加工、流体机械等工程领域显示出了良好的应用前景。
目前，在超磁致伸缩驱动装置领域中，主要利用温度控制和软件控制等方法对超磁致伸缩致动器的热变形进行补偿。例如，在2006年8月机械制造第44卷40-41页，发表的超磁致伸缩驱动器的热致输出及其抑制方法中，刘楚辉提出了一种基于相变温控的热变形抑制方法。在2010年6月天津工程师范学院学报第20卷第二期，发表的磁致伸缩驱动器的热补偿研究中，***等人提出了一种基于软件的磁致伸缩致动器向上热补偿方法。但是，利用超磁致伸缩致动器自带的热补偿机构对其热膨胀变形进行自动补偿的研究，却鲜有报道。
发明内容
发明目的
本发明针对超磁致伸缩材料的热变形对超磁致伸缩致动器输出位移精度的影响，提出一种带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，可实现在超磁致伸缩致动器工作过程中对材料的热变形进行自动补偿，进而提高超磁致伸缩致动器的输出位移精度和位移控制的准确性。
技术方案
一种带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，包括外壳；其特征在于：外壳安装在底盖上部，下导磁盖安装在底盖上部圆筒磁轭内部；线圈骨架安装在下导磁盖上部圆筒磁轭内部；圆筒磁轭安装在底盖上部，预紧螺栓设置在底盖中心处，下导磁块安装在线圈骨架的内孔中，设置在预紧螺栓上方，下导磁块的圆形凹槽中安装有超磁致伸缩棒，上导磁块安装在超磁致伸缩棒的上方，超磁致伸缩棒外部套有走线环；中心处带有通孔的上导磁盖安装在线圈骨架的上方、圆筒磁轭内部，上导磁盖的上方安装有顶盖；阶梯轴形状的传动轴下端安装在顶盖的中心孔中，且传动轴下端面与上导磁块的上端凹槽底面接触；预紧盖穿过传动轴的上部，传动轴与预紧盖之间安装有碟形弹簧；底盖和外壳下端通过螺栓及螺母轴向上锁紧；外壳上端、顶盖和预紧盖通过螺栓及螺母轴向上锁紧。
外壳为上端和下端都带有凸缘的圆筒，上凸缘和下凸缘都带有周向均布的螺栓孔，外壳侧面带有均布的螺钉孔，螺钉穿过外壳上的螺钉孔将外壳与圆筒磁轭径向锁紧。
底盖为正方形，中心处带有圆形通孔，通孔周围有四个周向均布的轴向通孔，底盖边缘处具有均布的螺栓孔；底盖下端带有圆形凸台，凸台上具有四个周向均布的径向通孔。
下导磁盖中心处具有一个螺纹孔，螺纹孔周围有四个周向均布的通孔；下导磁盖圆周上带有均布的阶梯螺纹孔；线圈骨架上端和下端都具有四个周向均布的螺纹孔；下导磁盖与线圈骨架的下端通过螺钉固定，下导磁盖下端与底盖间具有缝隙；圆筒磁轭下端内侧带有止口；下导磁盖侧面和线圈骨架的底端侧面与止口侧面接触。
下导磁块上部中心处带有圆形凹槽，圆周带有四个对称的沟槽，下导磁块的下表面与预紧螺栓的上端面接触；上导磁块上端和下端均有圆形凹槽，圆周带有四个对称的沟槽；走线环中心处带有通孔，圆周带有四个对称的沟槽；圆柱体状的超磁致伸缩棒的下表面与下导磁块的圆形凹槽底面接触，超磁致伸缩棒穿过走线环，超磁致伸缩棒的上表面与上导磁块下端的圆形凹槽底面接触。
上导磁盖中心处具有一个通孔，上导磁盖上具有四个均布的螺纹孔；上导磁块与线圈骨架和上导磁盖之间具有间隙；顶盖为圆形，中心处带有通孔，顶盖上具有四个均布的阶梯螺纹孔和均布的螺栓孔；顶盖与上导磁盖和线圈骨架通过螺钉连接固定。
预紧盖为正方形，中心处带有通孔，下部中心处带有圆形凸台，预紧盖边缘处具有均布的螺栓孔；穿过传动轴上部的两只碟形弹簧安装在传动轴与预紧盖之间；传动轴在竖直方向上与顶盖、两只碟形弹簧、预紧盖之间具有间隙。
预紧盖通过螺母与螺栓间的螺纹配合将两只碟形弹簧压缩。
上导磁块上的四个沟槽、走线环上的四个沟槽、下导磁块上的四个沟槽、下导磁盖上的四个通孔与底盖上的四个通孔相对应。
优点及效果
本发明是一种带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，具有如下优点和有益效果：
本装置通过利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应特性，提供了一种带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，该装置具有一种由线圈骨架、预紧螺栓、超磁致伸缩棒组成的热补偿机构，可有效补偿超磁致伸缩棒的热变形，提高超磁致伸缩致动器的位移输出精度，实现对其输出位移的准确控制；正方形的底盖和正方形的预紧盖使整个超磁致伸缩致动器不仅能够工作在竖直方向，并且可以工作在水平方向。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是底盖示意图，其中图2（a）为底盖主视图，图2（b）为底盖俯视图。
图3是顶盖示意图，其中图3（a）是顶盖俯视图，图3（b）是图3（a）B-B剖面图。
图4是预紧盖示意图，其中图4（a）是预紧盖俯视图，图4（b）是图4（a）C-C剖面图。
图5是上导磁块示意图，其中图5（a）是上导磁块俯视图，图5（b）是图5（a）的D-D剖面图。
图6是下导磁块示意图，其中图6（a）是下导磁块俯视图，图6（b）是图6（a）的E-E剖面图。
图7是走线环示意图，其中图7（a）是走线环的俯视图，图7（b）是图7（a）的F-F剖面图。
图8是下导磁盖示意图，图8（a）是下导磁盖的俯视图，图8（b）是图8（a）的G-G剖面图。
附图标记说明：
1.传动轴，2.预紧盖，3.顶盖，4.外壳，5.圆筒磁轭，6.驱动线圈，7.线圈骨架 ，8.预紧螺栓，9.底盖，10.下导磁盖，11.下导磁块，12.走线环，13. 超磁致伸缩棒，14.上导磁块，15.上导磁盖，16.碟形弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
本发明为一种带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，在超磁致伸缩致动器工作过程中，利用线圈骨架的热膨胀来实现对超磁致伸缩棒的热变形进行自动补偿，进而提高超磁致伸缩致动器的输出位移精度和位移控制的准确性。本发明的工作原理：利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应特性，首先给与超磁致伸缩棒一定的预压力以增加其磁致伸缩应变，然后对驱动线圈通入交变电流，使超磁致伸缩棒产生磁致伸缩变形，使致动器传动轴产生轴向位移。利用线圈骨架的热膨胀对超磁致伸缩棒的热变形进行自动补偿，以消除超磁致伸缩棒热变形对输出位移的影响，从而实现对其输出位移的精确控制。
图1是本发明的结构示意图，当工作时，首先旋转预紧螺栓8给予超磁致伸缩棒13施加一定的预压力，使超磁致伸缩棒13 工作在受压状态以增加其磁致伸缩应变，然后对驱动线圈6中通入交变电流，该电流在驱动线圈6内部产生磁场，导致超磁致伸缩棒13产生磁致伸缩变形，输出与驱动电流成比例的位移，该变形推动致动器传动轴1产生轴向位移。自动热补偿机构由线圈骨架7、预紧螺栓8、超磁致伸缩棒13组成，线圈骨架7上端与上导磁盖15与顶盖3固定，线圈骨架7的底部与下导磁盖10和预紧螺栓8相连，线圈骨架7和预紧螺栓8可以按着超磁致伸缩棒13磁致伸缩位移的相反方向移动。当超磁致伸缩致动器工作时，由于线圈骨架7上端与顶盖3和上导磁盖15固定住，下导磁盖10下端与底盖9留有缝隙，所以线圈骨架7将随着温度的升高而向下扩展，同时，预紧螺栓8与线圈骨架7通过螺纹连接，预紧螺栓7也同样会向下扩展，这就使下导磁块11向下移动，使超磁致伸缩棒13与下导磁块11之前产生间隙，由于线圈骨架7的热膨胀系数和长度经过设计可保证其热变形与超磁致伸缩棒13的热变形相等，所以此时超磁致伸缩棒13自身产生的热膨胀位移就可以被抵消，从而提高超磁致伸缩致动器的输出位移精度。
本发明提出了一种带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，如图1—图8中所示，外壳4安装在底盖9上部，下导磁盖10安装在底盖9上部，圆筒磁轭5内部；线圈骨架7安装在下导磁盖10上部、圆筒磁轭5内部，驱动线圈6缠绕在线圈骨架7上；圆筒磁轭5安装在底盖9上部，预紧螺栓8设置在底盖9中心处，下导磁块11安装在线圈骨架7的内孔中，设置在预紧螺栓8上方，下导磁块11的圆形凹槽中安装有超磁致伸缩棒13，上导磁块14安装在超磁致伸缩棒13的上方，超磁致伸缩棒13外部套有走线环12；中心处带有通孔的上导磁盖15安装在线圈骨架7的上方、圆筒磁轭5内部，上导磁盖15的上方安装有顶盖3；阶梯轴形状的传动轴1下端安装在顶盖3的中心孔中，且传动轴1下端面与上导磁块14的上端凹槽底面接触；预紧盖2穿过传动轴1的上部，传动轴1与预紧盖2之间安装有碟形弹簧16。底盖9和外壳4下端通过螺栓及螺母轴向上锁紧；外壳4上端、顶盖3和预紧盖2通过螺栓及螺母轴向上锁紧。用具有大磁阻的铝材料的外壳4、顶盖3、底盖9、预紧盖2和传动轴1将整个装置内部结构封装在里面，可以有效防止外界环境对整个装置的内部磁路产生影响。
外壳4为上端和下端都带有凸缘的圆筒，上凸缘和下凸缘都带有周向均布的螺栓孔，外壳4侧面带有均布的螺钉孔；螺钉穿过外壳4上的螺钉孔将外壳4与圆筒磁轭5径向锁紧。外壳4使用带凸缘的圆筒，便于固定和加工。对外壳4与圆筒磁轭5进行锁紧，从而增加了整个装置的稳定性。
底盖9为正方形，中心处带有圆形通孔，通孔周围有四个周向均布的轴向通孔，底盖9边缘处具有均布的螺栓孔；底盖9下端带有圆形凸台，凸台上具有四个周向均布的径向通孔。底盖9设置为正方形可以使超磁致伸缩致动器不仅可以工作在水平方向，还可以工作在竖直方向。
下导磁盖10中心处具有一个螺纹孔，螺纹孔周围有四个周向均布的通孔；下导磁盖10圆周上带有均布的阶梯螺纹孔。线圈骨架7上端和下端都具有四个周向均布的螺纹孔。下导磁盖10与线圈骨架7的下端通过螺钉固定，下导磁盖10下端与底盖9间具有缝隙，这样使线圈骨架7在产生热膨胀的时候，可以使线圈骨架7和下导磁盖10向下移动，对热膨胀位移进行补偿。。圆筒磁轭5下端内侧带有止口，下导磁盖10侧面和线圈骨架7的底端侧面与止口侧面接触，可以固定下端的线圈骨架7和下导磁盖10。
下导磁块11上部中心处带有圆形凹槽，圆周带有四个对称的沟槽，下导磁块11的下表面与预紧螺栓8的上端面接触。上导磁块14上端和下端均有圆形凹槽，圆周带有四个对称的沟槽。走线环12中心处带有通孔，圆周带有四个对称的沟槽。圆柱体状的超磁致伸缩棒13的下表面与下导磁块11的圆形凹槽底面接触，超磁致伸缩棒13穿过走线环，超磁致伸缩棒13的上表面与上导磁块14下端的圆形凹槽底面接触。下导磁块、上导磁块和走线环设置沟槽可以方便走线。
上导磁盖15中心处具有一个通孔，上导磁盖15上具有四个均布的螺纹孔。上导磁块14与线圈骨架7和上导磁盖15之间具有间隙。顶盖3为圆形，中心处带有通孔，顶盖3上具有四个均布的阶梯螺纹孔和均布的螺栓孔。顶盖3与上导磁盖15和线圈骨架7通过螺钉连接固定。上导磁盖15留有螺纹孔是为了与顶盖3、线圈骨架7进行连接。上导磁块14与线圈骨架7和上导磁盖15之间具有间隙，可以减少摩擦力，使传动轴输出的位移更加准确。
预紧盖2为正方形，中心处带有通孔，下部中心处带有圆形凸台，预紧盖2边缘处具有均布的螺栓孔。穿过传动轴1上部的两只碟形弹簧16安装在传动轴1与预紧盖2之间；传动轴1在竖直方向上与顶盖3、两只碟形弹簧16、预紧盖2之间具有间隙。预紧盖2设置为正方形可以使超磁致伸缩致动器不仅可以工作在水平方向，还可以工作在竖直方向，下部设置圆形凸台方便走线和调节预紧螺栓8。
预紧盖2通过螺母与螺栓间的螺纹配合将两只碟形弹簧16压缩。从而对整个装置进行预紧，使超磁致伸缩棒13 工作在受压状态以增加其磁致伸缩应变。
上导磁块14上的四个沟槽、走线环12上的四个沟槽、下导磁块11上的四个沟槽、下导磁盖10上的四个通孔与底盖9上的四个通孔相对应。这样设置可以便于走线。
Claims (9)
1.一种带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，包括外壳（4）；其特征在于：外壳（4）安装在底盖（9）上部，下导磁盖（10）安装在底盖（9）上部圆筒磁轭（5）内部；线圈骨架（7）安装在下导磁盖（10）上部圆筒磁轭（5）内部；圆筒磁轭（5）安装在底盖（9）上部，预紧螺栓（8）设置在底盖（9）中心处，下导磁块（11）安装在线圈骨架（7）的内孔中，设置在预紧螺栓（8）上方，下导磁块（11）的圆形凹槽中安装有超磁致伸缩棒（13），上导磁块（14）安装在超磁致伸缩棒（13）的上方，超磁致伸缩棒（13）外部套有走线环（12）；中心处带有通孔的上导磁盖（15）安装在线圈骨架（7）的上方、圆筒磁轭（5）内部，上导磁盖（15）的上方安装有顶盖（3）；阶梯轴形状的传动轴（1）下端安装在顶盖（3）的中心孔中，且传动轴（1）下端面与上导磁块（14）的上端凹槽底面接触；预紧盖（2）穿过传动轴（1）的上部，传动轴（1）与预紧盖（2）之间安装有碟形弹簧（16）；底盖（9）和外壳（4）下端通过螺栓及螺母轴向上锁紧；外壳（4）上端、顶盖（3）和预紧盖（2）通过螺栓及螺母轴向上锁紧。
2.根据权利要求1所述的带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，其特征在于：外壳（4）为上端和下端都带有凸缘的圆筒，上凸缘和下凸缘都带有周向均布的螺栓孔，外壳（4）侧面带有均布的螺钉孔，螺钉穿过外壳（4）上的螺钉孔将外壳（4）与圆筒磁轭（5）径向锁紧。
3.根据权利要求1所述的带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，其特征在于：底盖（9）为正方形，中心处带有圆形通孔，通孔周围有四个周向均布的轴向通孔，底盖（9）边缘处具有均布的螺栓孔；底盖（9）下端带有圆形凸台，凸台上具有四个周向均布的径向通孔。
4.根据权利要求1所述的带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，其特征在于：下导磁盖（10）中心处具有一个螺纹孔，螺纹孔周围有四个周向均布的通孔；下导磁盖（10）圆周上带有均布的阶梯螺纹孔；线圈骨架（7）上端和下端都具有四个周向均布的螺纹孔；下导磁盖（10）与线圈骨架（7）的下端通过螺钉固定，下导磁盖（10）下端与底盖（9）间具有缝隙；圆筒磁轭（5）下端内侧带有止口；下导磁盖（10）侧面和线圈骨架（7）的底端侧面与止口侧面接触。
5.根据权利要求1所述的带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，其特征在于：下导磁块（11）上部中心处带有圆形凹槽，圆周带有四个对称的沟槽，下导磁块（11）的下表面与预紧螺栓（8）的上端面接触；上导磁块（14）上端和下端均有圆形凹槽，圆周带有四个对称的沟槽；走线环（12）中心处带有通孔，圆周带有四个对称的沟槽；圆柱体状的超磁致伸缩棒（13）的下表面与下导磁块（11）的圆形凹槽底面接触，超磁致伸缩棒（13）穿过走线环（12），超磁致伸缩棒（13）的上表面与上导磁块（14）下端的圆形凹槽底面接触。
6.根据权利要求1所述的带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，其特征在于：上导磁盖（15）中心处具有一个通孔，上导磁盖（15）上具有四个均布的螺纹孔；上导磁块（14）与线圈骨架（7）和上导磁盖（15）之间具有间隙；顶盖（3）为圆形，中心处带有通孔，顶盖（3）上具有四个均布的阶梯螺纹孔和均布的螺栓孔；顶盖（3）与上导磁盖（15）和线圈骨架（7）通过螺钉连接固定。
7.根据权利要求1所述的带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，其特征在于：预紧盖（2）为正方形，中心处带有通孔，下部中心处带有圆形凸台，预紧盖（2）边缘处具有均布的螺栓孔；穿过传动轴（1）上部的两只碟形弹簧（16）安装在传动轴（1）与预紧盖（2）之间；传动轴（1）在竖直方向上与顶盖（3）、两只碟形弹簧（16）、预紧盖（2）之间具有间隙。
8.根据权利要求1所述的带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，其特征在于：预紧盖（2）通过螺母与螺栓间的螺纹配合将两只碟形弹簧（16）压缩。
9.根据权利要求3、4或5所述的带有自动热补偿功能的超磁致伸缩致动器，其特征在于：上导磁块（14）上的四个沟槽、走线环（12）上的四个沟槽、下导磁块（11）上的四个沟槽、下导磁盖（10）上的四个通孔与底盖（9）上的四个通孔相对应。
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