[發明專利]超磁致伸縮并聯微位移致動器

無效

• 申請號: 200910050349.5
• 申請日: 2009-04-30
• 公開（公告）號: CN101615862A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發明（設計）人: 李寶福;王文;吳家龍;徐青青
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H02N2/04
• 分類號: H02N2/04;H02N2/02
• 代理公司: 上海上大專利事務所（普通合伙）
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明涉及一種超磁致伸縮微位移致動器，特別是一種超磁致伸縮并聯微位移致動器， 可用于振動控制、精密加工等領域。

背景技術

超磁致伸縮微位移致動器具有大位移、強力、高精度、快速響應、高可靠性和低壓驅動 等優點。但是現有技術存在功耗大、實際換能效率低等問題，由此引發的發熱溫升問題影響 輸出量和輸出精度。

現有超磁致伸縮微位移致動器由棒狀超磁致伸縮材料、電磁線圈、軟磁材料、預應力裝 置和輸出桿等組成。其共同特點是：磁致伸縮棒安裝在電磁線圈軸心位置；磁致伸縮棒的伸 縮量通過輸出桿直接輸出。對于這種結構的致動器，由于磁致伸縮棒的長徑比往往較大，要 求線圈勵磁能力強，而且電磁線圈尺寸受到磁致伸縮棒的限制，所以致動器的體積大、歐姆 功耗也大。另外，電磁線圈產生的熱量直接影響磁致伸縮棒，引起磁致伸縮棒熱變形并導致 磁致伸縮性能的變化。

為了降低功耗，普遍采用的方法是采用永久磁鋼產生偏置磁場，變化磁場由激勵線圈提 供。例如，CN1670977A等利用永久磁鋼產生偏置磁場，電磁線圈產生動態磁場，以降低線圈 體積和功耗。

在致動器中設置各種冷卻裝置，控制磁致伸縮棒的溫升。例如，CN2938418Y在線圈的內 外層加裝兩層水套來冷卻致動器；CN2694608Y在超磁致伸縮棒和驅動線圈之間加裝一種相變 溫控裝置，利用相變吸收熱量，在短時間內可以控制超磁致伸縮棒的溫度。無論采用何種冷 卻方法，都必然會增加致動器體積和線圈功耗。

發明內容

本發明的目的在于針對已有技術存在的缺陷，提供一種超磁致伸縮并聯微位移致動器， 改善其性能，降低激勵線圈的功耗和尺寸。本發明基于以下原理和事實：(1)以稀土為原料 的超磁致伸縮材料(GMM)雖然具有大的變形能力，但是它的磁導率遠低于鐵磁材料，所以致動 器中磁路的磁阻主要集中在GMM上。GMM棒材內磁場強度一定時，激勵線圈產生的磁動勢(線 圈匝數和電流的乘積)應隨著GMM棒材的長度增加而增加。(2)激勵線圈的銅耗和線圈的電 流密度的平方、線圈內導體體積成正比。激勵線圈的磁動勢是電流密度和線圈軸向截面導體 面積之積。(3)GMM的換能功率取決于GMM體積，不是長度。

本發明的低功耗磁致伸縮致動器是：采用多根GMM短棒并聯，以降低GMM的磁阻；GMM 短棒和電磁線圈在結構上分離；GMM的磁致伸縮位移通過一種位移放大器放大后輸出。圖1 給出了上述致動器的工作原理。多根磁致伸縮短棒7按其伸縮方向(即d33方向)并排安裝。 電磁線圈1內部裝有鐵芯2，通過軟磁材料4、11和多根磁致伸縮短棒7構成多個封閉的磁 力線回路。GMM棒的伸縮量隨著磁場強度的變化而變化。GMM棒一端固定，另一端和柱銷10 連接。伸長的GMM棒推動柱銷10，通過擠壓封閉油腔里的流體介質12，推動輸出柱銷13。 調節輸入柱銷10和輸出柱銷13的數量和直徑，可以調節放大倍數。

本發明提供的致動器將多根GMM短棒并聯，使多根GMM棒共享激勵磁場。相對上述配置， 已有技術實際上是多根磁致伸縮短棒的串聯。對于n根等長的GMM棒，并聯GMM上的磁動勢 只有串聯GMM的n平方分之一。由此可見，在同等輸出功率條件下，并聯GMM棒可以大幅度 降低激勵線圈的功率損耗和線圈尺寸。

根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案：

一種超磁致伸縮并聯微位移致動器，包括GMM和勵磁線圈，其特征在于：一個GMM環或 多根GMM棒并列在由一個或幾個并聯的勵磁線圈共同產生的封閉磁路上。所述GMM棒或GMM 環產生的微位移經過一個位移放大器放大后輸出。

上述封閉磁路是從所述勵磁線圈內的鐵芯上端經上導磁盤、導磁環、上磁靴、GMM、下 磁靴和下導磁盤回到鐵芯下端，所述零件除GMM外均具有高導磁能力。

上述勵磁線圈內安置鐵芯，所述GMM的高度小于所述勵磁線圈的高度。

上述位移放大器為一個充滿液壓油的封閉油腔，其輸入端為連接所述各GMM棒上端的上 磁靴的輸入波紋管，其輸出端為連接所述封閉油腔頂端的一個或多個輸出波紋管。

上述多個GMM棒可排列為圓周陣列、或單排陣列、或矩形陣列、或弧形陣列，所述GMM 棒是磁致伸縮方向為軸向的GMM短棒。

上述GMM環為磁致伸縮方向為軸向的GMM短環。