專利名稱：：微位移巨磁致伸縮材料致動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種致動器，更特別地說，是指一種應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的小型化微位移巨磁致伸縮材料致動器。本發(fā)明設(shè)計的致動器尺寸為^850X10100mw。
背景技術(shù)：
：巨磁致伸縮材料作為一類新型高效的電(磁)能—機(jī)械(聲)能轉(zhuǎn)換材料，在航空航天、電子電力、信息通訊等智能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。沒有體積和重量限制的大尺寸磁致伸縮器件設(shè)計上相對簡單，既可以采用電磁線圈，也可以釆用不同形式的永磁體提供偏置磁場。只要尺寸足夠大，就可以保證性能要求。目前應(yīng)用比較廣泛的是采用直流線圈(或在激勵電流上疊加直流偏置電流)和圓筒永磁體的方式為驅(qū)動器施加偏置磁場。在當(dāng)今航空工業(yè)的發(fā)展中，對航空元器件的重量、體積的要求愈來愈嚴(yán)格。特別是航空軍事領(lǐng)域，為了保證整機(jī)的機(jī)動、靈活性，減小機(jī)載量及功率消耗，盡量要求元器件體積小、重量輕。而巨磁致伸縮材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸問題是在某些方面仍顯笨重，需要微小型化。同時，由于發(fā)熱問題對微小器件影響較大，不宜采用電磁線圈提供偏置磁場的方式。公開號CN2621239中采用了圓筒永磁體提供偏置磁場的布置方式，該布置方式適用于大尺寸的超磁致伸縮材料減振作動器。該作動器的超磁致伸縮棒與激勵線圈、永磁體形成的磁路為開路形式。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種小型化^8~50X10100ww微位移巨磁致伸縮材料致動器，該致動器通過在磁致伸縮棒7的上端面上放置一磁耦4，并在磁耦4的外面套裝上永磁圓環(huán)5、磁軛12;在磁致伸縮棒7的下端面上由下端蓋8的凸部13頂緊，并且在下端蓋8的凸部13的外面套裝下7lc磁圓環(huán)9;以及與電磁線圈6形成一個閉合磁路16。磁路16在磁致伸縮棒7的中軸線上的磁場是均勻分布的。本發(fā)明是一種微位移巨磁致伸縮材料致動器，包括有磁耦、磁軛、磁致伸縮棒、電磁線圈、上永磁圓環(huán)、下永磁圓環(huán)、輸出桿、碟簧，下端蓋裝配在殼體的底部，下端蓋的凸部外面套裝有下永磁圓環(huán)，下端蓋的凸部的端面上放置有磁致伸縮棒，磁致伸縮棒的外面套有電磁線圈，磁致伸縮棒的上端面放置有磁耦，磁耦的外面從下至上套裝有上永磁圓環(huán)、磁軛，磁耦上端面頂緊在輸出桿的凸緣端的下端面上，輸出桿的凸緣與上端蓋的下端面之間安裝有碟簧，輸出桿的中心設(shè)有螺紋孔。所述磁致伸縮棒位于電磁線圈的軸心位置，為了減小致動器直徑^，所述上永磁圓環(huán)、下永磁圓環(huán)布置在電磁線圈的上下兩端。在本發(fā)明中，上永磁圓環(huán)和下永磁圓環(huán)的結(jié)構(gòu)相同。本發(fā)明小型化微位移巨磁致伸縮材料致動器的優(yōu)點(diǎn)在于(1)電磁線圈6與上下7lc磁體成上下布置，有效地減小了致動器的徑向尺寸；(2)電磁線圈6產(chǎn)生的激勵磁場、上永磁圓環(huán)5產(chǎn)生的偏置磁場、下永磁圓環(huán)9產(chǎn)生的偏置磁場、與磁軛12、磁耦4、磁致伸縮棒7組成一閉合磁路，提高了致動器的能量轉(zhuǎn)換效率；(3)采用數(shù)值計算及有限元分析對磁路與結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，獲得體積小、重量輕、尺寸為^8~50Xl0100ww的高性能巨磁致伸縮微小致動器；(4)磁耦4采用圓錐形結(jié)構(gòu)，與磁軛12相配合，既有效地封閉了磁路，同時有利于磁致伸縮棒7的快速伸縮；(5)采用數(shù)值計算及有限元分析對上下永磁體圓環(huán)的尺寸及結(jié)構(gòu)配置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以為小尺寸的智能材料棒提供均勻的偏置磁場。圖1是本發(fā)明微小型微位移巨磁致伸縮材料致動器的結(jié)構(gòu)剖面圖。圖1A是本發(fā)明微小型微位移巨磁致伸縮材料致動器的內(nèi)部磁路走向示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中的未考慮磁軛、磁耦作用時的開路磁場分布。圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中的添加磁軛、磁耦后的閉合磁場分布。圖中l(wèi).輸出桿2.上端蓋3.碟簧4.磁耦5.上永磁圓環(huán)6.電磁線圈7.磁致伸縮棒8.下端蓋9.下永磁圓環(huán)IO.連接螺孔11.殼體12.磁軛13.凸部14.凸緣15.螺紋孔16.磁路具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明是一種小型化微位移巨磁致伸縮材料致動器，(A)為了適用于航空航天領(lǐng)域?qū)χ聞悠魑⑿⌒徒Y(jié)構(gòu)的需求，設(shè)計的致動器尺寸為^850X10100;ww;(B)為節(jié)省銅耗，減小直流發(fā)熱，采用電磁線圈6提供激勵磁場，永磁體(上永磁圓環(huán)5、下永磁圓環(huán)9)提供偏置磁場的磁驅(qū)動方式。根據(jù)恒定電流/產(chǎn)生磁場的規(guī)律，應(yīng)用畢奧一薩伐爾一拉普拉斯定律，可以獲得本發(fā)明致動器中磁致伸縮棒7在中軸線上的磁場分布，以及中軸線上的磁場強(qiáng)度A;然后根據(jù)磁場強(qiáng)度A來分析電磁線圈6產(chǎn)生磁場的分布情況。本發(fā)明是一種小型化微位移巨磁致伸縮材料致動器，包括有磁耦4、磁軛12、磁致伸縮棒7、電磁線圈6、上永磁圓環(huán)5、下永磁圓環(huán)9、輸出桿l、碟簧3，下端蓋8裝配在売體11的底部，下端蓋8的凸部13外面套裝有下永磁圓環(huán)9，下端蓋8的凸部13的端面上放置有磁致伸縮棒7,磁致伸縮棒7的外面套有電磁線圈6,磁致伸縮棒7的上端面放置有磁耦4,磁耦4的外面從下至上套裝有上永磁圓環(huán)5、磁軛12，磁耦4上端面頂緊在輸出桿1的凸緣14端的下端面上，輸出桿1的凸緣14與上端蓋2的下端面之間安裝有碟簧3，輸出桿1的中心設(shè)有螺紋孔15。所述磁致伸縮棒7位于電磁線圈6的軸心位置，為了減小致動器直徑-，所述上永磁圓環(huán)5與下永磁圓環(huán)9布置在電磁線圈6的上下兩端，上永磁圓環(huán)5和下永磁圓環(huán)9的結(jié)構(gòu)相同。在本發(fā)明中，上永磁圓環(huán)5和下永磁圓環(huán)9為永磁材料，如釹鐵硼、釤鈷或者鐵氧體永磁等。在本發(fā)明中，磁耦4、磁軛12、下端蓋8為導(dǎo)磁體，采用軟磁材料，如純鐵、硅鋼或者坡莫合金等高磁導(dǎo)率軟磁材料。磁耦4設(shè)計為圓錐形結(jié)構(gòu)，與磁軛12相配合(即磁耦4的小的部分圓錐端安裝在磁軛12的中心錐孔內(nèi))，既有效地封閉了磁路，同時有利于磁致伸縮棒7的快速伸縮。在本發(fā)明中，輸出桿l、殼體ll采用不銹鋼、硬鋁或者鈦合金等材料制成。本發(fā)明的小型化微位移巨磁致伸縮材料致動器為了實(shí)現(xiàn)小尺寸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用了數(shù)值計算及有限元分析方法來設(shè)計磁路16的磁場分布，以及致動器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。(一)電磁線圈6產(chǎn)生的激勵磁場沿中軸線方向的磁場分布為:11根據(jù)激勵磁場A可以核算出多層電磁線圈6產(chǎn)生的磁場分布情況，若激勵磁場A不滿足所需要的磁場強(qiáng)度，則需加大電磁線圈6的外徑A再進(jìn)行磁場分布計算，直至滿足所需磁場強(qiáng)度為止。此時，電磁線圈6的層數(shù)"2、匪數(shù)巧將隨之發(fā)生變化。(二)上永磁圓環(huán)5、或者下永磁圓環(huán)9產(chǎn)生的偏置磁場沿中軸線方向的磁場分布為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>在本發(fā)明中，由于上7乂磁圓環(huán)5、下7lc磁圓環(huán)9的結(jié)構(gòu)相同，在制作時選取相同材料，使這兩個磁環(huán)具有相同的剩磁，同時具有相同的偏置磁場，在計算時，只對其中一個磁環(huán)計算出偏置磁場即可。根據(jù)偏置磁場A可以設(shè)計出上7^C磁圓環(huán)5、下永磁圓環(huán)9的尺寸，以及所處位置的布置；通過調(diào)節(jié)上永磁圓環(huán)5、下永磁圓環(huán)9之間的間距"，可以獲得沿中軸線偏置磁場的均勻分布；調(diào)節(jié)上永磁圓環(huán)5、下永磁圓環(huán)9之間的間距J與上永磁圓環(huán)5、下永磁圓環(huán)9的尺寸，可以獲得致動器需要的偏置磁場強(qiáng)度；同時利用導(dǎo)磁性能良好的軟磁材料作為磁軛12、磁耦4與下端蓋8，來收束提升磁致伸縮棒7兩端的磁場，有效地提高了能量的轉(zhuǎn)換效率。-為了解析本發(fā)明小型化微位移巨磁致伸縮材料致動器采用數(shù)值計算及有限元分析方法來優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，同時分析磁場分布的情況，下面將舉例進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例1:致動器尺寸等于^18X20附附磁致伸縮棒7為直徑-=5附附、長8mw的Tbo.3Dyo.7Fe2智能材料棒；電磁線圈6(銅線線圈)的高度的一半/,-5/ww;上永磁圓環(huán)5(牌號N35的NdFeB材料，剩磁A-1.2T)與下永磁圓環(huán)9(NdFeB材料，剩磁^-1.2T)之間的間距^=lOww，上永磁圓環(huán)5的內(nèi)半徑及3=2.5//^,上永磁圓環(huán)5的外半徑A-3.6ww，上7lc磁圓環(huán)5的高度的一半/2=0.8mw(下永磁圓環(huán)9與上永磁圓環(huán)5結(jié)構(gòu)相同)；根據(jù)材料特性，使致動器盡可能工作在低場區(qū)以更好地利用線'性段，因此初設(shè)致動器的偏置磁場A,以偏置磁場下的預(yù)伸長狀態(tài)為起始工作點(diǎn)，當(dāng)電磁線圈6輸入交流電源土4A時，磁致伸縮棒7將產(chǎn)生伸縮變形土4;/An。為了分析磁場在開路條件下的分布情況，本發(fā)明人設(shè)計了一種在磁致伸縮棒7的上端面未安裝磁耦4、磁軛12，與磁致伸縮棒7下端面接觸的下端蓋8為不導(dǎo)磁材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁場分析。通過對磁場大小及分布的數(shù)值計算及有限元分析，可獲得在中軸線上磁場的均勻分布情況，參見圖2所示。圖中在磁致伸縮棒7中心區(qū)域5mm(即中軸線上的任意一點(diǎn)X的具體位置)的范圍內(nèi)，偏置磁場A為355土60e(依據(jù)偏置磁場A公式計箅得到)，激勵磁場A為352土60e(依據(jù)激勵磁場A公式計算得到)，兩磁場疊加后為706±12Oe。距離磁致伸縮棒7兩端面1.5m附的區(qū)域磁場有所下降。根據(jù)圖1所示的閉合磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁場分析，在磁致伸縮棒7的上端面安裝有磁耦4、磁軛12，與磁致伸縮棒7下端面接觸的下端蓋8為純鐵導(dǎo)磁材料。其磁場強(qiáng)度(指偏置磁場A和激勵磁場A疊加后磁場)有所提高，尤其是磁致伸縮棒7兩端的磁場，通過選擇合適的導(dǎo)磁率的軟磁材料，可以將兩端的磁場提高到與中心持平。從而在整個磁致伸縮，奉7長度范圍內(nèi)獲得均勻的磁場分布，其磁場如圖3所示。偏置磁場化(依據(jù)偏置磁場A公式計算得到)與激勵磁場A(依據(jù)激勵磁場A公式計算得到)疊加后，在磁致伸縮棒7棒長8mm的范圍內(nèi)磁場達(dá)到777土90e，磁場不均勻性為1.6%,說明了本發(fā)明設(shè)計的磁路在磁致伸縮棒7的棒長范圍具有較為均勻的磁場分布。實(shí)施例2:致動器尺寸等于-12Xl5wm磁致伸縮棒7為直徑0-3mm、長5mm的Tb0.36Dy,(Fe0.65Co0.35)2智能材料棒；電磁線圈6(銅線線圈)的高度的一半/,-3mm;上7義磁圓環(huán)5(牌號N35的NdFeB材料，剩磁^-1.2T)、下7lc磁圓環(huán)9(NdFeB材料，剩磁A-1.2T)之間的間距d-6mm,上永磁圓環(huán)5的內(nèi)半徑i3-1.5mw，上永磁圓環(huán)5的外半徑及4=2.2附附，上永磁圓環(huán)5的高度的一半/2-0.6wm(上永磁圓環(huán)5、下永磁圓環(huán)9結(jié)構(gòu)相同)；根據(jù)材料特性，當(dāng)電磁線圈6輸入交流電源土5A時，磁致伸縮棒7將產(chǎn)生伸縮變形±2.5//附。通過對磁場大小及分布的數(shù)值計算及有限元分析，可獲得磁場在開路條件下中軸線上磁場的均勻分布情況，在磁致伸縮棒7中心區(qū)域4m附(即中軸線上的任意一點(diǎn)Z的具體位置)的范圍內(nèi)，偏置磁場A為351土80e,激勵磁場A為348土70e,兩磁場疊加后為700±15Oe。距離磁致伸縮棒7兩端面0.6wm的區(qū)域磁場有所下降。根據(jù)圖1所示的閉合磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁場分析，在磁致伸縮棒7的上端面安裝有磁耦4、磁軛12，與磁致伸縮棒7下端面接觸的下端蓋8為純鐵導(dǎo)磁材料。其磁場強(qiáng)度(指偏置磁場A和激勵磁場A疊加后磁場)有所提高，尤其是磁致伸縮棒7兩端的磁場，通過調(diào)整選擇合適的導(dǎo)磁率的軟磁材料，可以將兩端的磁場提高到與中心持平。從而在整個磁致伸縮棒7長度范圍內(nèi)獲得均勻的磁場分布。偏置磁場A與激勵磁場A疊加后，在磁致伸縮棒7棒長5附w的范圍內(nèi)磁場達(dá)到727土110e，磁場不均勻性為1.9%,說明了本發(fā)明設(shè)計的磁路在磁致伸縮+奉7的棒長范圍具有較為均勻的磁場分布。對本發(fā)明中電磁線圈6和上永磁圓環(huán)5、下永磁圓環(huán)9的磁場及尺寸采用數(shù)值運(yùn)算軟件編程實(shí)現(xiàn)，對添加磁軛12、磁耦4、導(dǎo)磁下端蓋8后的磁路采用有限元方法進(jìn)行分析，應(yīng)用計算機(jī)強(qiáng)大的計算及數(shù)據(jù)處理功能,獲得較為準(zhǔn)確的尺寸和磁場參數(shù),為微小型微位移巨磁致伸縮材料致動器提供了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。本發(fā)明中引用符號的物理意義說明如下表:<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權(quán)利要求1、一種微位移巨磁致伸縮材料致動器，包括有輸出桿(1)、上端蓋(2)、下端蓋(8)、碟簧(3)、電磁線圈(6)、永磁體、磁致伸縮棒(7)、殼體(11)，其特征在于還包括有磁耦(4)、磁軛(12)，所述永磁體分為上永磁圓環(huán)(5)和下永磁圓環(huán)(9)；下端蓋(8)裝配在殼體(11)的底部，下端蓋(8)的凸部(13)外面套裝有下永磁圓環(huán)(9)，下端蓋(8)的凸部(13)的端面上放置有磁致伸縮棒(7)；磁致伸縮棒(7)的外面套有電磁線圈(6)，磁致伸縮棒(7)的上端面放置有磁耦(4)；磁耦(4)的外面從下至上套裝有上永磁圓環(huán)(5)、磁軛(12)，磁耦(4)上端面頂緊在輸出桿(1)的凸緣(14)端的下端面上；輸出桿(1)的凸緣(14)與上端蓋(2)的下端面之間安裝有碟簧(3)，輸出桿(1)的中心設(shè)有螺紋孔(15)；所述磁致伸縮棒(7)位于電磁線圈(6)的軸心位置；所述上永磁圓環(huán)(5)與下永磁圓環(huán)(9)的結(jié)構(gòu)相同，且上永磁圓環(huán)(5)與下永磁圓環(huán)(9)布置在電磁線圈(6)的上下兩端。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移巨磁致伸縮材料致動器，其特征在于電磁線圈(6)產(chǎn)生的激勵磁場沿中軸線方向的磁場分布為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中，A表示激勵磁場，",表示電磁線圈(6)的單位長度上的匝數(shù)，"2表示電磁線圈(6)的單位高度上的層數(shù)，；u。表示真空磁導(dǎo)率，且/z。-4;rxl(^牛頓/安培2，/表示加載在電磁線圈(6)上的電流，X表示中軸線上的任意一點(diǎn)，/,表示電磁線圈(6)的線圈長度的一半，《表示電磁線圈(6)的內(nèi)半徑，i2表示電磁線圈(6)的外半徑。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移巨磁致伸縮材料致動器，其特征在于上永磁圓環(huán)(5)、或者下永磁圓環(huán)(9)產(chǎn)生的偏置磁場沿中軸線方向的磁場分布為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中，^=%+2/2+d，5=%-2/2-^，C=X+d，A表示偏置磁場，5,表示上永磁圓環(huán)(5)、或者下永磁圓環(huán)(9)的剩磁，/2表示上永磁圓環(huán)(5)、或者下永磁圓環(huán)(9)的圓環(huán)高度的一半，及3表示上永磁圓環(huán)(5)、或者下永磁圓環(huán)(9)的內(nèi)半徑，A表示上永磁圓環(huán)(5)、或者下永磁圓環(huán)(9)的外半徑，"表示上永磁圓環(huán)(5)與下永磁圓環(huán)(9)之間的距離。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移巨磁致伸縮材料致動器，其特征在于磁耦(4)為圓錐形結(jié)構(gòu)。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移巨磁致伸縮材料致動器，其特征在于上永磁圓環(huán)(5)和下永磁圓環(huán)(9)為永磁材料。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移巨磁致伸縮材料致動器，其特征在于:磁耦(4)、磁軛(12)、下端蓋(8)為采用軟磁材料加工的導(dǎo)磁體。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移巨磁致伸縮材料致動器，其特征在于電磁線圈(6)產(chǎn)生的激勵磁場、上永磁圓環(huán)(5)產(chǎn)生的偏置磁場、下永磁圓環(huán)(9)產(chǎn)生的偏置磁場、與磁軛(12)、磁耦(4)、磁致伸縮棒(7)組成閉合磁路。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移巨磁致伸縮材料致動器，其特征在于致動器尺寸為^850X10100mw。9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移巨磁致伸縮材料致動器，其特征在于磁致伸縮棒(7)在加載有±1八±6八電流的條件下位移為±3//附~±40//附。全文摘要本發(fā)明公開了一種微位移巨磁致伸縮材料致動器，包括有磁耦、磁軛、磁致伸縮棒、電磁線圈、上永磁圓環(huán)、下永磁圓環(huán)、輸出桿、碟簧，下端蓋裝配在殼體的底部，下端蓋的凸部外面套裝有下永磁圓環(huán)，下端蓋的凸部的端面上放置有磁致伸縮棒，磁致伸縮棒的外面套有電磁線圈，磁致伸縮棒的上端面放置有磁耦，磁耦的外面從下至上套裝有上永磁圓環(huán)、磁軛，磁耦上端面頂緊在輸出桿的凸緣端的下端面上，輸出桿的凸緣與上端蓋的下端面之間安裝有碟簧，輸出桿的中心設(shè)有螺紋孔。本發(fā)明致動器的優(yōu)點(diǎn)是上下兩端的永磁圓環(huán)布置可以為φ8～50×10～100mm磁致伸縮棒提供較均勻的偏置磁場，而永磁體與線圈的上下布置可以減小致動器的徑向體積，激勵磁場、偏置磁場與磁耦、磁軛配合形成閉合磁路，可以提高致動器的工作效率，使本發(fā)明具有了小體積、高性能，且工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。文檔編號H02N2/04GK101110557SQ20071012049公開日2008年1月23日申請日期2007年8月20日優(yōu)先權(quán)日2007年8月20日發(fā)明者張?zhí)禧?徐惠彬,雷楊,蔣成保申請人:北京航空航天大學(xué)