[发明专利]超磁致伸缩并联微位移致动器

说明书

技术领域

本发明涉及一种超磁致伸缩微位移致动器，特别是一种超磁致伸缩并联微位移致动器， 可用于振动控制、精密加工等领域。

背景技术

超磁致伸缩微位移致动器具有大位移、强力、高精度、快速响应、高可靠性和低压驱动 等优点。但是现有技术存在功耗大、实际换能效率低等问题，由此引发的发热温升问题影响 输出量和输出精度。

现有超磁致伸缩微位移致动器由棒状超磁致伸缩材料、电磁线圈、软磁材料、预应力装 置和输出杆等组成。其共同特点是：磁致伸缩棒安装在电磁线圈轴心位置；磁致伸缩棒的伸 缩量通过输出杆直接输出。对于这种结构的致动器，由于磁致伸缩棒的长径比往往较大，要 求线圈励磁能力强，而且电磁线圈尺寸受到磁致伸缩棒的限制，所以致动器的体积大、欧姆 功耗也大。另外，电磁线圈产生的热量直接影响磁致伸缩棒，引起磁致伸缩棒热变形并导致 磁致伸缩性能的变化。

为了降低功耗，普遍采用的方法是采用永久磁钢产生偏置磁场，变化磁场由激励线圈提 供。例如，CN1670977A等利用永久磁钢产生偏置磁场，电磁线圈产生动态磁场，以降低线圈 体积和功耗。

在致动器中设置各种冷却装置，控制磁致伸缩棒的温升。例如，CN2938418Y在线圈的内 外层加装两层水套来冷却致动器；CN2694608Y在超磁致伸缩棒和驱动线圈之间加装一种相变 温控装置，利用相变吸收热量，在短时间内可以控制超磁致伸缩棒的温度。无论采用何种冷 却方法，都必然会增加致动器体积和线圈功耗。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种超磁致伸缩并联微位移致动器， 改善其性能，降低激励线圈的功耗和尺寸。本发明基于以下原理和事实：(1)以稀土为原料 的超磁致伸缩材料(GMM)虽然具有大的变形能力，但是它的磁导率远低于铁磁材料，所以致动 器中磁路的磁阻主要集中在GMM上。GMM棒材内磁场强度一定时，激励线圈产生的磁动势(线 圈匝数和电流的乘积)应随着GMM棒材的长度增加而增加。(2)激励线圈的铜耗和线圈的电 流密度的平方、线圈内导体体积成正比。激励线圈的磁动势是电流密度和线圈轴向截面导体 面积之积。(3)GMM的换能功率取决于GMM体积，不是长度。

本发明的低功耗磁致伸缩致动器是：采用多根GMM短棒并联，以降低GMM的磁阻；GMM 短棒和电磁线圈在结构上分离；GMM的磁致伸缩位移通过一种位移放大器放大后输出。图1 给出了上述致动器的工作原理。多根磁致伸缩短棒7按其伸缩方向(即d33方向)并排安装。 电磁线圈1内部装有铁芯2，通过软磁材料4、11和多根磁致伸缩短棒7构成多个封闭的磁 力线回路。GMM棒的伸缩量随着磁场强度的变化而变化。GMM棒一端固定，另一端和柱销10 连接。伸长的GMM棒推动柱销10，通过挤压封闭油腔里的流体介质12，推动输出柱销13。 调节输入柱销10和输出柱销13的数量和直径，可以调节放大倍数。

本发明提供的致动器将多根GMM短棒并联，使多根GMM棒共享激励磁场。相对上述配置， 已有技术实际上是多根磁致伸缩短棒的串联。对于n根等长的GMM棒，并联GMM上的磁动势 只有串联GMM的n平方分之一。由此可见，在同等输出功率条件下，并联GMM棒可以大幅度 降低激励线圈的功率损耗和线圈尺寸。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种超磁致伸缩并联微位移致动器，包括GMM和励磁线圈，其特征在于：一个GMM环或 多根GMM棒并列在由一个或几个并联的励磁线圈共同产生的封闭磁路上。所述GMM棒或GMM 环产生的微位移经过一个位移放大器放大后输出。

上述封闭磁路是从所述励磁线圈内的铁芯上端经上导磁盘、导磁环、上磁靴、GMM、下 磁靴和下导磁盘回到铁芯下端，所述零件除GMM外均具有高导磁能力。

上述励磁线圈内安置铁芯，所述GMM的高度小于所述励磁线圈的高度。

上述位移放大器为一个充满液压油的封闭油腔，其输入端为连接所述各GMM棒上端的上 磁靴的输入波纹管，其输出端为连接所述封闭油腔顶端的一个或多个输出波纹管。

上述多个GMM棒可排列为圆周阵列、或单排阵列、或矩形阵列、或弧形阵列，所述GMM 棒是磁致伸缩方向为轴向的GMM短棒。

上述GMM环为磁致伸缩方向为轴向的GMM短环。