一种适用于巨磁致伸缩执行器的永磁偏置磁路

摘要

本发明公开了一种适用于巨磁致伸缩执行器的永磁偏置磁路，该永磁偏置磁路的中心组件设置在线圈骨架的通孔内，线圈骨架的柱体上套接中间组件，中间组件上缠绕漆包线形成线圈，在外部安装导磁筒、导磁筒的两端安装磁轭。其中，磁致伸缩棒、永磁柱、导磁柱、磁轭和导磁筒形成偏置磁场供磁磁路。在磁致伸缩棒的两端放置导磁柱，导磁柱的外部放置永磁柱构成偏置磁场-致动单元。本发明利用永磁柱做为驱动器的偏置磁场来源，实现了用少量的永磁材料获得磁致伸缩棒内较大的磁场强度。通过在中心组件的外部套接中间组件的方式，降低了偏置磁场供磁磁路的漏磁，为磁致伸缩棒提供了具有一定强度并且均匀的偏置磁场。

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁偏置磁路，更特别地说，是指一种能提供高均匀性、高磁场 强度的、且适用于巨磁致伸缩执行器的永磁偏置磁路。

背景技术

巨磁致伸缩驱动器是一种在利用巨磁致伸缩材料在交变磁场作用下发生应变从 而获得位移输出的驱动器，其具有位移输出大、力输出大、能量转换率高、响应迅速 的特点，在航空航天、电子电力、信息通讯等智能结构领域具有巨大的应用潜力。

由于巨磁致伸缩材料本身的磁场应变特性，为了使其性能得到最优发挥通常需要 提供一个偏置磁场。巨磁致伸缩材料执行器的偏置磁场可由永磁材料或通电线圈提 供，对于通电线圈提供偏置磁场而言，偏置磁场大小可通过调节线圈中的电流灵活改 变，但这种偏置磁场的维持需要线圈中持续存在一定强度的电流，通常采用的非超导 线圈中电流产生的焦耳热将会因为没有有效散热而使温度上升，恶化巨磁致伸缩材料 的工作环境，材料的磁致伸缩性能下降，驱动器输出性能降低且不稳定。对于采用永 磁材料提供偏置磁场则没有自发热现象。

目前，永磁偏置磁路主要有以下几种：一、在线圈内或外放置轴向充磁的筒状永 磁结构，外置不导磁套筒，由于永磁材料接近空气的磁导率和巨磁致伸缩材料的不高 磁导率，整个磁路磁阻巨大，漏磁严重；二、在螺线管内或外放置轴向充磁的永磁环 状结构，永磁环之间布置导磁环，外置不导磁套筒，由于一定程度上降低了磁路磁阻， 但巨磁致伸缩材料的低磁导率使场外漏磁依然较大；三、对于较短的磁致伸缩棒，上 下两端放置轴向充磁的永磁片，永磁片和磁致伸缩棒中间放至导磁柱，外置导磁套筒， 导磁柱、导磁筒的汇聚磁力线作用是的场外漏磁小，但中心棒区域的磁场均匀性低； 四、将长的巨磁致伸缩棒分成几段，在棒中间内置轴向充磁的永磁，外置导磁套筒， 这样能有效降低场外漏磁，但棒中的磁场同样难以均匀分布；五，在螺线管内或外混 合放置轴向、径向充磁的永磁环状结构，这种方式能获得具有一定强度的均匀性磁场， 大体积较大，永磁材料用量也很多，不够经济实用。能否使巨磁致伸缩材料获得一定 场强且十分均匀的偏置磁场是巨磁致伸缩驱动器偏置磁路设计的关键，也是研制高性 能、高效率巨磁致伸缩驱动器难以避开的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于巨磁致伸缩执行器的永磁偏置磁路，是为了解决 磁致伸缩驱动器的偏置磁场受磁致伸缩棒长度的影响，若磁致伸缩驱动器的长径比大 于3.5，则偏置磁场的均匀较差。本发明利用永磁柱做为驱动器的偏置磁场来源，实 现了用少量的永磁材料获得磁致伸缩棒内较大的磁场强度。通过在中心组件的外部套 接中间组件的方式，降低了中心组件产生的磁场不均匀性及漏磁，同时中间组件也提 供了具有一定强度并且均匀的偏置磁场。

本发明的技术方案是：永磁偏置磁路的中心组件设置在线圈骨架的通孔内，线圈 骨架的柱体上套接中间组件，中间组件上缠绕漆包线形成线圈，在外部安装导磁筒、 导磁筒的两端安装磁轭。其中，磁致伸缩棒、永磁柱、导磁柱、磁轭和导磁筒形成偏 置磁场供磁磁路。在磁致伸缩棒的两端放置导磁柱，导磁柱的外部放置永磁柱构成偏 置磁场-致动单元。中心组件的外部套接中间组件，作为降低偏置磁场磁路漏磁提高 磁致伸缩棒中磁场均匀性的磁路补偿装置。

本发明是一种适用于巨磁致伸缩执行器的永磁偏置磁路，其特征在于：该永磁偏 置磁路包括有线圈(1A)、一个线圈骨架(1)、八个导磁柱、四个永磁柱、三个磁致伸 缩棒、六个永磁环、十个安装环、三个永磁筒、第一磁轭(81)、第二磁轭(82)和导磁 筒(9)。

其中，八个导磁柱、四个永磁柱和三个磁致伸缩棒构成中心组件。

其中，六个永磁环、十个安装环和三个永磁环构成中间组件。

其中，第一磁轭(81)、第二磁轭(82)和导磁筒(9)构成外部组件。

所述八个导磁柱是指AA导磁柱(21)、AB导磁柱(22)、AC导磁柱(23)、AD导磁 柱(24)、AE导磁柱(25)、AF导磁柱(26)、AG导磁柱(27)、AH导磁柱(28)；

所述四个永磁柱是指AA永磁柱(31)、AB永磁柱(32)、AC永磁柱(33)、AD永磁 柱(34)；

所述三个磁致伸缩棒是指AA磁致伸缩棒(41)、AB磁致伸缩棒(42)、AC磁致伸缩 棒(43)；

所述六个永磁环是指BA永磁环(51)、BB永磁环(52)、BC永磁环(53)、BD永磁 环(54)、BE永磁环(55)、BF永磁环(56)；

所述十个安装环是指BA安装环(61)、BB安装环(62)、BC安装环(63)、BD安装 环(64)、BE安装环(65)、BF安装环(66)、BG安装环(67)、BH安装环(68)、BI安装 环(69)、BJ安装环(70)；

所述三个永磁筒是指CA永磁筒(71)、CB永磁筒(72)、CC永磁筒(73)。

线圈骨架(1)包括有线圈柱体(11)、线圈A端盖(12)和线圈B端盖(13)，线圈柱 体(11)为中部为通孔(14)，线圈柱体(11)的一端是线圈A端盖(12)，线圈柱体(11) 的另一端是线圈B端盖(13)。线圈柱体(11)用于套接中间组件或者缠绕有漆包线。

中心组件从上至下接触排列为AA导磁柱(21)、AA永磁柱(31)、AB导磁柱(22)、 AA磁致伸缩棒(41)、AC导磁柱(23)、AB永磁柱(32)、AD导磁柱(24)、AB磁致伸缩 棒(42)、AE导磁柱(25)、AC永磁柱(33)、AF导磁柱(26)、AC磁致伸缩棒(43)、AG 导磁柱(27)、AD永磁柱(34)、AH导磁柱(28)。

中间组件套接在线圈骨架(1)的线圈柱体(11)上；中间组件从上至下接触排列为 BA安装环(61)、BA永磁环(51)、BB安装环(62)、CA永磁筒(71)、BC安装环(63)、 BB永磁环(52)、BD安装环(64)、BC永磁环(53)、BE安装环(65)、CB永磁筒(72)、 BF安装环(66)、BD永磁环(54)、BG安装环(67)、BE永磁环(55)、BH安装环(68)、 CC永磁筒(73)、BI安装环(69)、BF永磁环(56)、BJ安装环(70)。

外部组件包括有导磁筒(9)，第一磁轭(81)和第二磁轭(82)，导磁筒(9)的一端设 置有第一磁轭(81)，导磁筒(9)的另一端设置有第二磁轭(82)，导磁筒(9)的两端与第 一磁轭(81)和第二磁轭(82)可以是通过螺纹连接。第一磁轭(81)和第二磁轭(82)的结 构相同，第一磁轭(81)上设有A通孔，A通孔用于放置AA导磁柱(21)，第二磁轭(82) 上设有B通孔，B通孔用于放置AH导磁柱(28)。

当AA导磁柱(21)为自由活动端时，AA导磁柱(21)在第一磁轭(81)的A通孔中能 够活动，则AH导磁柱(28)与第二磁轭(82)的B通孔为固定连接。

当AH导磁柱(28)为自由活动端时，AH导磁柱(28)在第二磁轭(82)的B通孔中能 够活动，则AA导磁柱(21)与第一磁轭(81)的A通孔为固定连接。

本发明永磁偏置磁路的优点在于：

①本发明利用永磁柱做为驱动器的偏置磁场来源，实现了用少量的永磁材料获得磁 致伸缩棒内较大的磁场强度。

②本发明利用在中心组件的外部套接中间组件的方式，降低了中心组件产生的磁场 不均匀性及漏磁，降低了偏置磁场供磁磁路的漏磁，为磁致伸缩棒提供了具有一 定强度并且均匀的偏置磁场。

③本发明利用不同轴向、径向充磁的环状磁体放置在磁致伸缩棒周围，能够有效提 高磁致伸缩棒四周磁势，减轻漏磁效应，使磁致伸缩棒内磁场均匀性明显提高。

④在本发明设计的永磁偏置磁路结构上，利用较少的永磁材料获得磁场强度大且均 匀偏置磁场。极大的提升了用作磁致伸缩执行器的工作性能，使得磁致伸缩执行 器的结构尺寸小型化，同时降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明永磁偏置磁路的外部结构图。

图1A是本发明永磁偏置磁路的另一视角外部结构图。

图1B是沿轴向切除部分的第一种本发明永磁偏置磁路的结构图。

图1C是本发明永磁偏置磁路的分解图。

图2是沿轴向切除部分的第二种本发明永磁偏置磁路的结构图。

图3是第一种本发明永磁偏置磁路的磁化方向示意图。

图4是第一种本发明永磁偏置磁路的磁通走势示意图。

图5是三个实施例的磁场强度对比图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B、图1C、图2所示，本发明设计的是一种能够提供磁场 强度高，均匀性好，漏磁少的且适用于巨磁致伸缩执行器的永磁偏置磁路，该永磁偏 置磁路包括有线圈1A、一个线圈骨架1、八个导磁柱(AA导磁柱21、AB导磁柱22、 AC导磁柱23、AD导磁柱24、AE导磁柱25、AF导磁柱26、AG导磁柱27、AH导磁柱 28)、四个永磁柱(AA永磁柱31、AB永磁柱32、AC永磁柱33、AD永磁柱34)、三个 磁致伸缩棒(AA磁致伸缩棒41、AB磁致伸缩棒42、AC磁致伸缩棒43)、六个永磁环 (BA永磁环51、BB永磁环52、BC永磁环53、BD永磁环54、BE永磁环55、BF永磁 环56)、十个安装环(BA安装环61、BB安装环62、BC安装环63、BD安装环64、BE 安装环65、BF安装环66、BG安装环67、BH安装环68、BI安装环69、BJ安装环70)、 三个永磁筒(CA永磁筒71、CB永磁筒72、CC永磁筒73)、第二磁轭81、第二磁轭 82和导磁筒9。

其中，八个导磁柱、四个永磁柱和三个磁致伸缩棒构成中心组件。

其中，六个永磁环、十个安装环和三个永磁环构成中间组件。

其中，第一磁轭81、第二磁轭82和导磁筒9构成外部组件。

在本发明中，磁致伸缩棒的两端是导磁柱，导磁柱的外部是永磁柱，从而构成偏 置磁场-致动单元。为了获得大的位移输出，同时保证偏置磁场满足磁致伸缩性能要 求，采用多段重复设置偏置磁场-致动单元。一般地，设置磁致伸缩棒的个数也是偏 置磁场-致动单元的个数，可以是一段、两段、三段或者三段以上等，依据应用对象 —巨磁致伸缩执行器的尺寸及所需磁致伸缩位移大小设置。磁致伸缩棒由具有(超、 巨)磁致伸缩效应的材料组成，如铽镝铁合金、铁镓合金等。永磁柱选用永磁材料加 工，如钕铁硼合金、钐钴合金等。

在本发明中，永磁筒的两端是安装环，安装环的外部是永磁环，从而构成补偿磁 场单元。为了提高偏置磁场的均匀性，采用多段重复设置补偿磁场单元。偏置磁场- 致动单元与补偿磁场单元数量上为1:1匹配布置。

线圈骨架1

参见图1B、图1C、图2所示，线圈骨架1包括有线圈柱体11、线圈A端盖12 和线圈B端盖13，线圈柱体11为中部为通过14，线圈柱体11的一端是线圈A端盖 12，线圈柱体11的另一端是线圈B端盖13。线圈柱体11用于套接中间组件或者缠 绕有漆包线。线圈骨架1选用低磁导率材料加工，如铜、铝等。

在本发明中，线圈骨架1不但可以用于套接中间组件，还可以用于缠绕漆包线。 依据线圈骨架1放置的位置不同，本发明设计的永磁偏置磁路具有两种结构，如图 1B和图2所示。

在图1B所示中，线圈骨架1置于中心组件与中间组件之间，中间组件上缠绕有 漆包线构成的线圈。

在图2所示中，线圈骨架1置于中间组件与线圈之间，即线圈骨架1的线圈柱体 11上缠绕有漆包线构成的线圈。中间组件套接在中心组件上。

中心组件

参见图1B、图2所示，中心组件从上至下接触排列为AA导磁柱21、AA永磁柱 31、AB导磁柱22、AA磁致伸缩棒41、AC导磁柱23、AB永磁柱32、AD导磁柱24、 AB磁致伸缩棒42、AE导磁柱25、AC永磁柱33、AF导磁柱26、AC磁致伸缩棒43、 AG导磁柱27、AD永磁柱34、AH导磁柱28。导磁柱选用高磁导率加工，如电工纯铁、 坡莫合金等。永磁柱选用永磁材料加工，如钕铁硼合金、钐钴合金等。

中间组件

参见图1B所示，中间组件套接在线圈骨架1的线圈柱体11上；中间组件从上至 下接触排列为BA安装环61、BA永磁环51、BB安装环62、CA永磁筒71、BC安装环 63、BB永磁环52、BD安装环64、BC永磁环53、BE安装环65、CB永磁筒72、BF安 装环66、BD永磁环54、BG安装环67、BE永磁环55、BH安装环68、CC永磁筒73、 BI安装环69、BF永磁环56、BJ安装环70。永磁环和永磁筒选用永磁材料加工，如 钕铁硼合金、钐钴合金等。安装环选用低磁导率材料加工，如铜、铝等。

参见图2所示，中间组件套接在中心组件上，中间组件的外部是线圈骨架1，且 线圈骨架1的线圈柱体11上缠绕有漆包线形成的线圈1A；中间组件从上至下接触排 列为BA安装环61、BA永磁环51、BB安装环62、CA永磁筒71、BC安装环63、BB 永磁环52、BD安装环64、BC永磁环53、BE安装环65、CB永磁筒72、BF安装环66、 BD永磁环54、BG安装环67、BE永磁环55、BH安装环68、CC永磁筒73、BI安装环 69、BF永磁环56、BJ安装环70。

在本发明中，中间组件能够对磁路起到补偿磁路的作用。即CA永磁筒71、CB 永磁筒72和CC永磁筒73能够对AA磁致伸缩棒41、AB磁致伸缩棒42和AC磁致伸 缩棒43的中部磁场强度起到补偿作用；BA永磁环51、BB永磁环52、BC永磁环53、 BD永磁环54、BE永磁环55和BF永磁环56能够阻止AA磁致伸缩棒41、AB磁致伸 缩棒42和AC磁致伸缩棒43的端部漏磁。

外部组件

参见图1、图1A、图1B、图1C、图2所示，外部组件包括有导磁筒9，第一磁 轭81和第二磁轭82，导磁筒9的一端设置有第一磁轭81，导磁筒9的另一端设置有 第二磁轭82，导磁筒9的两端与第一磁轭81和第二磁轭82可以是通过螺纹连接。 第一磁轭81和第二磁轭82的结构相同，第一磁轭81上设有A通孔，A通孔用于放 置AA导磁柱21，第二磁轭82上设有B通孔，B通孔用于放置AH导磁柱28。

在本发明中，第一磁轭81、第二磁轭82和导磁筒9选用高磁导率加工，如电工 纯铁、坡莫合金等。

在本发明中，当AA导磁柱21为自由活动端时(即输出一定位移)，AA导磁柱21 在第一磁轭81的A通孔中能够活动，则AH导磁柱28与第二磁轭82的B通孔为固定 (焊接或者螺纹)连接。

在本发明中，当AH导磁柱28为自由活动端时(即输出一定位移)，AH导磁柱28 在第二磁轭82的B通孔中能够活动，则AA导磁柱21与第一磁轭81的A通孔为固定 (焊接或者螺纹)连接。

永磁材料结构件的充磁方向及布局：

在本发明中，AA永磁柱31、AB永磁柱32、AC永磁柱33和AD永磁柱34为轴向 充磁。

在本发明中，CA永磁筒71、CB永磁筒72和CC永磁筒73为轴向充磁。

在本发明中，BA永磁环51、BB永磁环52、BC永磁环53、BD永磁环54、BE永 磁环55和BF永磁环56为径向充磁。

参见图3所示，当永磁柱的上端为N极时，则永磁柱的下端为S极；则永磁筒的 上端为S极，永磁筒的下端为N极；位于永磁柱N极的永磁环内壁为N极，永磁环外 壁为S极，位于永磁柱S极的永磁环内壁为S极，永磁环外壁为N极。图中，箭头方 向为充磁方向。“↑”表示充磁方向向上，被充磁的永磁柱和永磁筒上端为N极；“↓” 表示充磁方向向下，被充磁的永磁柱和永磁筒下端为N极；“→”表示充磁方向沿径 向向里，永磁环的内壁为N极；“←”表示充磁方向沿径向向外，永磁环的外壁为N 极。具体地：

AB永磁柱32的上端为N极、下端为S极时，BC永磁环53的内壁为S极、外壁 为N极，CB永磁筒72的上端为S极、下端为N极，BD永磁环54的内壁为N极、外 壁为S极，AC永磁柱33的上端为N极、下端为S极。

在本发明中，永磁柱(AB永磁柱32、AC永磁柱33)、永磁筒(CB永磁筒72)与 永磁环(BC永磁环53、BD永磁环54)的配合，能够降低只有永磁柱提供偏置磁场时 的漏磁现象，为AB磁致伸缩棒42提供了一定强度并且均匀的偏置磁场。

本发明的永磁偏置磁路为：

AA磁致伸缩棒41、AB磁致伸缩棒42、AC磁致伸缩棒43、AA永磁柱31、AB永 磁柱32、AC永磁柱33、AD永磁柱34、AA导磁柱21、AB导磁柱22、AC导磁柱23、 AD导磁柱24、AE导磁柱25、AF导磁柱26、AG导磁柱27、AH导磁柱28、第一磁轭 81、第二磁轭82和导磁筒9形成偏置磁场供磁磁路，如图4所示。

由于磁致伸缩棒的磁导率不高，偏置磁场供磁磁路在中心组件上的磁阻较大，漏 磁严重。配合中间组件能够降低漏磁，为磁致伸缩棒提供具有一定强度并且均匀的偏 置磁场。

实施例1

应用Ansys 6.0对磁致伸缩棒的平均磁场强度进行模拟测量：中心组件置于线圈 柱体的通孔内，中间组件套接在线圈柱体上，中间组件上缠绕漆包线，导磁筒9两端 安装上第一磁轭81、第二磁轭82。中心组件中的AA导磁柱21为活动输出端。永磁 柱的上端为N极、下端为S极。永磁柱、永磁环和永磁筒的剩磁为1.4特斯拉。

(A)磁致伸缩棒(AA磁致伸缩棒41、AB磁致伸缩棒42、AC磁致伸缩棒43)的 直径30毫米、高60毫米。

(B)AB导磁柱22、AC导磁柱23、AD导磁柱24、AE导磁柱25、AF导磁柱26、 AG导磁柱27的直径30毫米、高2毫米。AA导磁柱21与AH导磁柱28的直径30毫 米、高10毫米。

(C)AA永磁柱31与AD永磁柱34的直径30毫米、高2毫米。AB永磁柱32与 AC永磁柱33的直径30毫米、高4毫米。

(D)永磁环(BA永磁环51、BB永磁环52、BC永磁环53、BD永磁环54、BE永 磁环55、BF永磁环56)的内直径34毫米、外面直径38毫米、高6毫米。

(E)永磁筒(CA永磁筒71、CB永磁筒72和CC永磁筒73)内直径34毫米、外 面直径38毫米、高28毫米。

(F)BB安装环62、BC安装环63、BE安装环65、BF安装环66、BH安装环68、 BI安装环69的内直径34毫米、外面直径38毫米、高10毫米。BA安装环61、BD 安装环64、BG安装环67、BJ安装环70的内直径34毫米、外面直径38毫米、高8 毫米。

(G)线圈骨架1的线圈柱体11的内直径32毫米、外面直径34毫米、高212 毫米；线圈A端盖12的内直径34毫米、外面直径96毫米、高1毫米；线圈B端盖 13的内直径34毫米、外面直径96毫米、高1毫米。

(H)导磁筒9的的内直径96毫米、外面直径100毫米、高224毫米。第一磁轭 81的内直径32毫米、外面直径96毫米、高5毫米；第二磁轭82的内直径32毫米、 外面直径96毫米、高5毫米。

经测试，实施例1得到轴向磁致伸缩棒的平均磁场强度743.89奥斯特，不均匀 度4.53％。

实施例2

应用Ansys 6.0对磁致伸缩棒的平均磁场强度进行模拟测量：中心组件置于线圈 柱体的通孔内，中间组件套接在线圈柱体上，中间组件上缠绕漆包线，导磁筒9两端 安装上第一磁轭81、第二磁轭82。中心组件中的AA导磁柱21为活动输出端。永磁 柱的上端为N极、下端为S极。永磁柱、永磁环和永磁筒的剩磁为1.0特斯拉。

在保持与实施例1相同的参数下，除永磁环的高变化为4毫米、永磁筒的高变化 为20毫米、BB安装环62、BC安装环63、BE安装环65、BF安装环66、BH安装环68、 BI安装环69的高变化为12毫米。

经测试，实施例2得到轴向磁致伸缩棒的平均磁场强度688.27奥斯特，不均匀 度6.069％。

实施例3

应用Ansys 6.0对磁致伸缩棒的平均磁场强度进行模拟测量：中心组件置于线圈 柱体的通孔内，中间组件套接在线圈柱体上，中间组件上缠绕漆包线，导磁筒9两端 安装上第一磁轭81、第二磁轭82。中心组件中的AA导磁柱21为活动输出端。永磁 柱的上端为N极、下端为S极。永磁柱、永磁环和永磁筒的剩磁为0.4特斯拉。

在保持与实施例1相同的参数下，除永磁环的高变化为2毫米、永磁筒的高变化 为14毫米、BB安装环62、BC安装环63、BE安装环65、BF安装环66、BH安装环68、 BI安装环69的高变化为14毫米。

经测试，实施例3得到轴向磁致伸缩棒的平均磁场强度660.25奥斯特，不均匀 度16.06％。