动态永磁场驱动式超磁致伸缩致动器

摘要

本发明涉及一种动态永磁场驱动式超磁致伸缩致动器，机体的两部分沿中心对称安装在一起，并通过双头螺柱和螺母连接紧固；机体的上端面与外部支架内侧凸缘的下端面接触，在外部支架的下部安装主动齿轮轴，主动齿轮轴的下端与外部支架之间装有主动轴深沟球轴承；主动齿轮轴的上端装有主动齿轮，主动挡圈拧紧在主动齿轮轴上将主动齿轮轴向固定，主动齿轮与两个从动齿轮啮合；外部支架的两部分沿中心对称安装在一起，双头螺柱安装在外部支架两侧的沉头孔中，外部支架的两部分通过螺母紧固。本发明通过永磁铁与机械转动机构的结合，形成由永磁铁运动而产生动态交变磁场的励磁方式；避免了电磁线圈励磁方式驱动电源功率大、发热严重、体积大等弊端。

说明书

技术领域

本发明属于磁致伸缩致动器领域，特别涉及一种以永磁铁产生动态交变磁场的方式来驱动超磁致伸缩棒高频振动的超磁致伸缩致动器。

背景技术

超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，它是一种室温下具有极强磁致伸缩效应的一类金属化合物，其典型代表是Tb_0.27Dy_0.73Fe_1.95和T_0.7Dy_0.73Fe₂，商品名称为Terfenol-D。作为一种新型高效磁能-机械能转换材料，与普通的磁致伸缩材料（如钴、镍）和压电材料（如PZT）等其他材料相比，其具有大应变、高效功率密度、精度高、响应速度快及可靠性高等优点。

铁磁材料在磁场中磁化时，会沿着磁化方向发生微量的伸长或缩短，这一现象被称为磁致伸缩现象，也称为焦耳效应。磁致伸缩效应是超磁致伸缩材料具有的重要物理效应之一，依据此效应，可以利用超磁致伸缩材料的形变实现微米级的精密位移控制。因此，可以使用超磁致伸缩材料制作驱动装置，即超磁致伸缩致动器。超磁致伸缩致动器的应用较广泛，涉及到许多先进的民用技术领域和军事技术领域，包括声呐系统、精密与超精密加工、流体机械、生物医学、航天等。例如，2009年在Smart Materials and Structures第18卷第9期，发表的A high speed magnetostrictive mirror deflector中，Angara设计了一种可用于雷达和激光系统中的高速超磁致伸缩镜面偏转器。2007年在International Journal of Advanced Manufacturing Technology第33卷第3-4期，发表的Control of a dual stage magnetostrictive actuator and linear motor feed drive system中，麦克马斯特大学研制了一种用于控制切削过程的双级进给驱动系统。

目前，对于多数的超磁致伸缩致动器，主要是利用通有交变电流的线圈所产生的交变磁场来驱动超磁致伸缩棒发生振动。但是，此种驱动方式需要由大功率电源提供交变电流，其表现出磁场强度较小、线圈发热量大、体积大等弊端，影响了超磁致伸缩材料的磁致伸缩性能。附加的强制冷却系统虽然可在一定程度上改善线圈驱动式超磁致伸缩致动器的发热问题，但是此方法不能从根源上减少热量的产生，影响了超磁致伸缩致动器的输出位移精度。因此，从本质上提高励磁磁场强度并克服发热问题，需要研究一种新的磁场驱动方式。目前，鲜有采用永磁铁产生动态交变磁场的方式来驱动超磁致伸缩棒产生高频振动的报道。

发明内容

发明目的

针对电磁线圈驱动式超磁致伸缩致动器的发热多、体积大、效率低的问题，本发明设计一种以超磁致伸缩棒为核心元件、利用高速转动的永磁铁作为动态交变磁场源、使超磁致伸缩棒产生高频振动的动态永磁场驱动式超磁致伸缩致动器。

技术方案

一种动态永磁场驱动式超磁致伸缩致动器，本装置整体结构为轴对称式结构，其特征在于：机体的两部分沿中心对称安装在一起，并通过机体双头螺柱和机体螺母连接紧固；机体的上端面与外部支架内侧凸缘的下端面接触，在外部支架的下部安装主动齿轮轴，主动齿轮轴的下端与外部支架之间装有主动轴深沟球轴承；主动齿轮轴的上端装有主动齿轮，主动挡圈拧紧在主动齿轮轴上将主动齿轮轴向固定，主动齿轮与其两侧的两个从动齿轮啮合；外部支架的两部分沿中心对称安装在一起，外部支架双头螺柱安装在外部支架两侧的沉头孔中，外部支架的两部分通过外部支架螺母紧固；从动齿轮的上方设有下转子，下转子的细轴上方插入上转子中，条形磁铁分别安装在上转子和下转子对应的凹槽上，深沟球轴承安装在上转子和下转子的底端内部，下转子上的细轴穿过机体上的通孔、与上转子通过键连接；从动齿轮通过键轴向安装在下转子上，从动挡圈拧紧在下转子上将从动齿轮轴向固定；棒体基座安装在机体上的凹槽中，棒体基座的上端安装有超磁致伸缩棒，超磁致伸缩棒上端面与波导杆上的阶梯孔的阶梯面接触；弹簧安装在波导杆的上端面、弹簧的上端面与机体接触。

下转子为阶梯形圆柱体，细轴上端开有键槽，细轴下端周围具有圆环形沟槽；下转子边缘处沿轴向具有4个周向均布的圆柱形孔；下转子底端中心处开有螺纹孔，侧面开有键槽；带有螺纹的从动挡圈安装在下转子的螺纹孔中，将从动齿轮轴向固定。

上转子为圆柱体，边缘处沿轴向具有4个周向均布的圆柱形孔，下端中心处设有圆柱形沟槽，圆柱形沟槽底端开有圆柱形轴槽，轴槽上开有键槽；下转子细轴的上端安装在上转子轴槽中，键安装在下转子细轴上端的键槽和上转子键槽中，且下转子的细轴与上转子的轴槽间为过盈配合，键与下转子细轴上端的键槽及上转子的键槽为过盈配合。

深沟球轴承分别安装在上转子沟槽和下转子沟槽中，且深沟球轴承与上转子和下转子均采用过盈配合。

条形磁铁为圆柱形，分别安装在上转子和下转子的圆柱形孔中，并且条形磁铁与上转子和下转子间为均为过盈配合。

机体是由对称的两部分组成；上端带有两个圆形凸台，下端带有两个与其相对称的圆形凸台；凸台的中心处开有通孔，凸台内侧开有两个对称的阶梯孔b；上端中心处开有阶梯孔c，且阶梯孔c上端直径小于下端直径；机体侧面带有两对通孔。

棒体基座为阶梯圆柱形，中心处带有阶梯孔，下端孔的直径小于上端孔的直径；超磁致伸缩棒的下端安装在棒体基座的上端孔中，二者过渡配合，且超磁致伸缩棒的下端面与棒体基座上端孔的底面接触；棒体基座安装在机体上的阶梯孔b的凹槽处，且棒体基座5与机体间为过盈配合。

波导杆为阶梯圆柱形，下端带有两个对称的阶梯孔；波导杆安装在机体上的阶梯孔c中；超磁致伸缩棒的上端安装在波导杆的阶梯孔中，且超磁致伸缩棒的上端面与阶梯孔的阶梯面接触。

外部支架是由对称的两部分组成，上端带有凸缘；下端中心处有阶梯孔，主动轴深沟球轴承安装在阶梯孔的阶梯面处，并与阶梯孔间为过盈配合；外部支架每一部分的两侧各有一对沉头孔和一个通孔。

主动齿轮轴为阶梯轴，上端中心处带有螺纹孔，上端和下端分别开有键槽；带有螺纹的主动挡圈安装在主动齿轮轴的上端螺纹孔中，将主动齿轮在轴向上固定。

优点及效果

本发明是一种动态永磁场驱动式超磁致伸缩致动器，具有如下优点和有益效果：

本发明是由运动的永磁铁提供动态激励磁场的超磁致伸缩致动器，嵌入转子中的永磁铁在高速电机带动下同时产生两个动态交变磁场，分别驱动两根超磁致伸缩棒同时发生高频振动。该装置通过永磁铁与机械转动机构的结合，形成了一种由永磁铁运动而产生动态交变磁场的励磁方式；避免了电磁线圈励磁方式所具有的驱动电源功率大、发热严重、体积大等弊端。该装置中采用两根超磁致伸缩棒同时发生形变，提高了输出力范围，增强了系统工作稳定性。

附图说明

图1是致动器的示意图，其中图1（a）是致动器的等轴侧视图。图1（b）是致动器另一个方向的等轴侧视图。

图2是致动器的结构示意图。

图3是致动器的半剖视图

图4是机体的等轴侧视图。

图5是机体的半剖视图。

图6是外部支架的等轴侧视图。

图7是外部支架的半剖视图。

图8是下转子的等轴侧视图，其中图8（a）是一个方向的视图，图8（b）是另一个方向的视图。

图9是下转子示意图，其中图9（a）是下转子的主视图，图9（b）是下转子的A-A剖视图。

图10是波导杆示意图，其中10（a）是波导杆的主视图，图10（b）是图10（a）的B-B剖视图。

图11是上转子示意图，其中图11（a）是上转子的俯视图，图11（b）是图11（a）的C-C剖视图。

图12是主动齿轮轴等轴侧视图。

图13是磁铁安装示意图。

附图标记说明：

1. 机体，2. 外部支架，3. 上转子，4. 超磁致伸缩棒，5. 棒体基座，6. 深沟球轴承，7. 下转子，8. 从动齿轮，9. 主动齿轮轴，10. 主动轴深沟球轴承，11. 主动齿轮，12. 主动挡圈，13. 机体螺母，14. 机体双头螺柱，15. 外部支架双头螺柱，16. 外部支架螺母，17. 波导杆，18. 弹簧，19. 从动挡圈，20. 条形磁铁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明设计一种以超磁致伸缩棒为核心元件、利用高速转动的永磁铁作为动态交变磁场源、使超磁致伸缩棒产生高频振动的动态永磁场驱动式超磁致伸缩致动器。本动态永磁场驱动式超磁致伸缩致动器的工作原理是：依据超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应原理，当超磁致伸缩棒的磁化状态发生变化时就会引起棒的轴向尺寸发生变化；运动的条形磁铁会产生动态的交变磁场，在此磁场作用下超磁致伸缩棒的磁化状态发生变化，进而超磁致伸缩棒产生连续的高频振动；然后，超磁致伸缩棒的振动通过与其连接的波导杆传递到外界。

图1是致动器的示意图，图2是致动器的结构示意图，图3是致动器的半剖视图，图中上转子3和下转子7内部各装有4个条形磁铁20，如图13所示，上转子3中所装的条形磁铁20与安装在下转子7中纵向相对的条形磁铁20磁极相反，同一转子上的相邻磁铁间的磁极也相反；上转子3和下转子7每旋转90°，磁场的方向就会翻转一次，进而产生动态交变磁场。工作时，连接在主动齿轮轴9上的电机通过主动齿轮轴9带动主动齿轮11转动，然后主动齿轮11带动从动齿轮8转动，从动齿轮8带动下转子7和上转子3旋转。随着上转子3和下转子7的旋转，条形磁铁20的端面与机体1上的阶梯孔b间的接触面积不断发生变化，这导致了磁路不断发生变化，从而使磁场的大小连续发生改变。在交变磁场作用下超磁致伸缩棒4产生振动，超磁致伸缩棒的振动通过与之相连的波导杆18传递到外界。在图3中棒体基座5与超磁致伸缩棒4间为过渡配合，避免了超磁致伸缩棒4在安装时发生破损；棒体基座5与机体1间为过盈配合，实现了对超磁致伸缩棒4的底端夹紧。其余各零件结构见图4-图13。

本装置整体结构为轴对称式结构，从动齿轮8的上方设有下转子7，下转子7的细轴上方插入上转子3中，条形磁铁20分别安装在上转子3和下转子7对应的凹槽上，深沟球轴承6安装在上转子3和下转子7的底端内部，下转子7上的细轴穿过机体1上的通孔a、与上转子3通过键连接；从动齿轮8通过键轴向安装在下转子7上，从动挡圈19拧紧在下转子7上将从动齿轮8轴向固定；棒体基座5安装在机体1上的凹槽d中，棒体基座5的上端安装有超磁致伸缩棒4，超磁致伸缩棒4上端面与波导杆17上的阶梯孔的阶梯面接触；弹簧18安装在波导杆17的上端面、弹簧18的上端面与机体1接触。上述零件安装好后，将机体1的两部分沿中心对称安装，并用机体双头螺柱14和机体螺母13将机体1的两部分连接紧固。机体1的上端面与外部支架2内侧凸缘的下端面接触。在外部支架2的下部安装主动齿轮轴9，主动齿轮轴9的下端与外部支架2之间装有主动轴深沟球轴承10；主动齿轮轴9的上端装有主动齿轮11，主动挡圈12拧紧在主动齿轮轴9上将主动齿轮11轴向固定，主动齿轮11与两个从动齿轮8啮合。将外部支架2的两部分沿中心对称安装，外部支架双头螺柱15安装在外部支架两侧的沉头孔中，并用外部支架螺母16将外部支架2的两部分紧固。

下转子7为阶梯形圆柱体，细轴上端开有键槽，细轴下端周围具有圆环形沟槽；下转子7边缘处沿轴向具有4个周向均布的圆柱形孔；下转子7底端中心处开有螺纹孔，侧面开有键槽；带有螺纹的从动挡圈19安装在下转子7的螺纹孔中，将从动齿轮8轴向固定。

上转子3为圆柱体，边缘处沿轴向具有4个周向均布的圆柱形孔，下端中心处设有圆柱形沟槽，圆柱形沟槽底端开有圆柱形轴槽，轴槽上开有键槽；下转子7细轴的上端安装在上转子3轴槽中，键安装在下转子7细轴上端的键槽和上转子3键槽中，且下转子7细轴与上转子3轴槽间为过盈配合，键与下转子7细轴上端的键槽及上转子3键槽为过盈配合。键连接的结构设计便于上转子3和下转子7的安装和拆卸。

深沟球轴承6分别安装在上转子3沟槽和下转子7沟槽中，且深沟球轴6承与上转子3和下转子7均采用过盈配合。深沟球轴承6内置在上转子3和下转子7中可以防止工作时外界灰尘杂质进入深沟球轴承6内部加速磨损。

条形磁铁20为圆柱形，分别安装在上转子3和下转子7的圆柱形孔中，并且条形磁铁20与上转子3和下转子7间为均为过盈配合。条形磁铁20与上转子3和下转子7之间的过盈配合可以防止上转子3和下转子7在高速旋转时内部的条形磁铁20松动脱落。

机体1是由对称的两部分组成；上端带有两个圆形凸台，下端带有两个与其相对称的圆形凸台；凸台的中心处开有通孔a，凸台内侧开有两个对称的阶梯孔b；上端中心处开有阶梯孔c，且阶梯孔c上端直径小于下端直径；机体1侧面带有两对通孔。由于机体1内部结构比较复杂，将其设计成两部分便于加工，同时也便于拆装维护。

棒体基座5为阶梯圆柱形，中心处带有阶梯孔，下端孔的直径小于上端孔的直径。超磁致伸缩棒4的下端安装在棒体基座5的上端孔中，二者过渡配合，且超磁致伸缩棒4的下端面与棒体基座5上端孔的底面接触。棒体基座5安装在机体1上的阶梯孔b的凹槽d处，且棒体基座5与机体1间为过盈配合。棒体基座5的阶梯形通孔设计既能保证超磁致伸缩棒4的轴向固定又能使超磁致伸缩棒4的下端与下部磁场直接接触有利于充分发挥超磁致伸缩棒4的性能。

波导杆17为阶梯圆柱形，下端带有两个对称的阶梯孔。波导杆17安装在机体1上的阶梯孔c中。超磁致伸缩棒4的上端安装在波导杆17的阶梯孔中，且超磁致伸缩棒4的上端面与阶梯孔的阶梯面接触。两个对称阶梯孔既保证了超磁致伸缩棒4与波导杆17的连接固定又能使超磁致伸缩棒4的上端与上部磁场接触有利于超磁致伸缩棒4性能的发挥。

外部支架2是由对称的两部分组成，上端带有凸缘；下端中心处有阶梯孔，主动轴深沟球轴承10安装在阶梯孔的阶梯面处，并与阶梯孔间为过盈配合。外部支架2每一部分的两侧各有一对沉头孔和一个通孔。

主动齿轮轴9为阶梯轴，上端中心处带有螺纹孔，上端和下端分别开有键槽；带有螺纹的主动挡圈12安装在主动齿轮轴的上端螺纹孔中，将主动齿轮11在轴向上固定。