[發明專利]基于Terfenol-D驅動的數字液壓泵

在審

• 申請號: 201410312882.5
• 申請日: 2014-07-02
• 公開（公告）號: CN104088778A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發明（設計）人: 王林翔;杜修全;王旦
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F04B43/04
• 分類號: F04B43/04;F04B53/10;F04B49/06
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明涉及一種基于Terfenol-D驅動的數字泵（以下簡稱Terfenol-D數字泵）。準確地說，涉及一種利用Terfenol-D致動器驅動的高壓小型數字液壓泵。

背景技術

液壓泵是一種將機械能轉換為液壓能的能量轉換裝置，為液壓系統提供具有一定壓力和流量的液壓油。傳統液壓泵由電磁馬達驅動，體積、重量大，工作時伴有劇烈的振動、磨損和噪聲。此外，在復雜的液壓驅動系統中，常常需要外接許多油管和伺服閥來將液壓油分配至各個執行機構以實現復雜的驅動，如此會使得執行機構的運動受到油管的限制。因此，上述缺陷很大程度上限制了液壓傳動在微機電系統、微流體高精度輸送、航空航天、行走機器人等領域的應用。為了解決傳統液壓泵的上述問題，微小型液壓泵應運而生。

近年來，研究人員開始將智能材料驅動技術引入微小型液壓泵驅動中，其中利用磁致伸縮效應驅動的液壓泵（簡稱磁致伸縮泵）就是其中一種極具應用前景的微小型泵。磁致伸縮泵的特點是能將磁致伸縮致動器高頻振動產生的機械能轉化為可控性強的液壓能。它能將傳統液壓泵的驅動源部分、傳動部分及泵體三者合為一體,?可以達到結構簡單、體積小、重量輕、耗能低、無噪聲、無電磁干擾的要求。此外，由于磁致伸縮材料工作頻率范圍寬，可以通過對磁致伸縮材料施加一定頻率和大小的磁場來實現對泵輸出流量和壓力的精確控制，因而在液壓系統的設計中省去了節流機構，減壓裝置等，大大提高了液壓系統的集成性能。

但是，目前國內外針對磁致伸縮泵的研究大多是微型低壓泵，其特點是低壓、流量小，主要用于航空航天領域對工作壓力流量要求不高的地方。而對基于磁致伸縮致動器驅動的高壓泵研究相對較少，特別是主動閥磁致伸縮泵。因此，對于磁致伸縮高壓泵、主動閥控制、變流量輸出三者結合的新型磁致伸縮泵的研究具有重大意義，將極大地促進液壓傳動在微機電系統、微流體高精度輸送、航空航天、行走機器人等領域的應用。

發明內容

本發明提出了一種基于磁致伸縮致動器驅動的數字型液壓泵。其基本原理是通過交替開閉的主動單向閥的控制，使得磁致伸縮致動器的高頻雙向振動轉換為液壓油的單向運動，從而驅動執行機構。并且本發明提出的磁致伸縮數字泵能夠實現流量的數字化控制，從而為液壓系統省去了節流機構，提高了液壓系統的集成性能。

為了實現上述要求，本發明采用如下技術方案：一種基于磁致伸縮驅動的數字液壓泵主要由泵體、磁致伸縮致動器、線圈、彈簧、剛性元件、彈性膜片、進油口單向閥、出油口單向閥和控制器組成，彈性膜片將泵體分為上下兩部分，其中上部分為油路結構，下部分為驅動結構。

所述的油路結構包括進油口、出油口，進油口通過進油口單向閥與位于彈性膜片上方的泵腔聯通，泵腔通過出油口單向閥與出油口聯通。

所述的驅動結構包括磁致伸縮致動器、線圈、剛性元件和彈簧，磁致伸縮致動器的推桿上套置有彈簧，剛性元件設置在推桿的頂端并與彈性膜片固定連接，線圈繞在磁致伸縮致動器外圍。

所述的磁致伸縮致動器、進油口單向閥和出油口單向閥都受控于控制器。

其工作原理如下：磁致伸縮致動器通交流電后將產生雙向振動，使彈性膜片產生高頻振動，從而使泵腔容積產生變化。當致動器收縮時，泵腔容積增大，同時控制進油口單向閥開啟，出油口單向閥關閉，泵腔此時處于吸油狀態，吸入低壓油；當致動器收縮時，泵腔容積減小，同理控制進油口單向閥關閉，出油口單向閥開啟，泵腔此時處于壓油狀態，輸出高壓油。

作為優選的，磁致伸縮數字泵由磁致伸縮致動器驅動。磁致伸縮致動器采用巨磁致伸縮材料Terfenol-D棒作為驅動器，并在驅動器外圍饒有多匝線圈。它除了具有響應快的特點外，還具有輸出位移大，輸出力大，功率密度高，位移可重復性好等優點，此外，對磁致伸縮致動器的工作電壓大小和頻率進行控制，使其達到系統的諧振頻率，實現泵的最大輸出性能。

作為優選的，本發明還可以通過設計的控制器對磁致伸縮數字泵進行流量控制，實現流量數字化的目標。由于磁致伸縮致動器的輸出位移是Terfenol-D棒的應變位移，而應變大小決定了泵腔容積的變化大小，從而決定泵的流量。其實現方式是：控制器發出的數字信號用于控制加載在Terfenol-D棒外圍線圈上的驅動電壓大小和頻率，進而實現對Terfenol-D致動器中的磁場大小和頻率進行控制，從而實現對磁致伸縮泵流量的精確控制。