[发明专利]动态永磁场驱动式超磁致伸缩致动器

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。