專利名稱：磁致伸縮體致動器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種產生直線運動的利用電致伸縮或磁致伸縮的電動機或發(fā)電 機，尤其涉及一種致動器。
背景技術：
近些年來，電、》茲致伸縮材料領域發(fā)展迅速，產生了如巨磁致伸縮材料和 磁致伸縮形狀記憶合金等新型的可用于精密致動器研制的磁致伸縮智能材料， 這類材料具有能量密度大，輸出功率高，伸縮形變大、控制精確等優(yōu)點。但是 基于這類伸縮材料研制的致動器件為能達到大伸縮位移和大負載致動能力往往 需要能產生強電磁場的大電流激勵。但是由于通常制動器設計結構的限制使所 需的電磁線圈的尺寸有限，而不能產生超強》茲場，特別是為產生強勵磁場而加 載大電流時，線圏熱損耗加劇，線圏發(fā)熱將直接使^i致伸縮材料產生熱膨脹， 而直接影響磁致伸縮機構位移的精度。
目前人們?yōu)榻鉀Q此類問題，往往采用在致動器內部再附加一套液體或氣體 冷卻循環(huán)系統(tǒng)來平衡電磁線圈的發(fā)熱。這種解決方法雖然冷卻效果不錯，但整
個致動器結構復雜，整體尺寸增大，并且還需要額外的泵給系統(tǒng)等缺陷。如2007 年3月28日授權公告的中國專利，4受權公告號為CN1307780C,公開了一種相變 溫控型超磁致伸縮微位移致動器，其在超磁致伸縮棒與驅動線圏之間增加相變 溫控裝置，雖然能夠在一定范圍內克服電磁線圈的發(fā)熱問題，但仍然具有上述 指出的缺陷。
發(fā)明內容
本發(fā)明的技術效果能夠克服上述缺陷，提供一種外置多路電磁或多路電磁和 永磁復合激勵超強電磁場激勵和無電磁線圈熱脹影響的大負載、精密位移致動器。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案其包括剛性非導磁支架和設 置在剛性非導石茲支架內的》茲致伸縮體，剛性非導》茲支架的一側或相對的兩側設 有貫通口，貫通口內設置相對于貫通口可自由運動的剛性導磁棒，剛性導》茲棒與磁致伸縮體固接；剛性非導磁支架外側設有剛性導磁支架，剛性導磁支架的 一側邊開口，其余側邊封閉；剛性導f茲支架的周邊纏繞電/f茲線圈；》茲致伸縮體 與剛性導磁棒、剛性導磁支架構成一個電磁通回路；剛性導磁棒相對于剛性導 磁支架的開口側邊可自由運動；剛性非導磁支架、剛性導磁支架皆固定設置。
電磁通回路至少設置一個；致動器還包括至少一個永磁通回路，永磁通回 路中包括永磁體，永磁體嵌入剛性導磁支架內，永磁體兩極分別通過剛性導磁 支架與剛性導》茲一奉、/磁致伸縮體連沖妻組成一個永/磁通回路。由電》茲通回路和永 石茲通回^^組成的所有》茲通回5^以貫通口為中心，沿貫通口徑向呈輻射狀結構。 剛性導磁棒的末端連接隔磁端塊。致動器可根據(jù)激勵磁場強度的需要，根據(jù)結 構尺寸的需要采用一個或一個以上的電磁磁路體，可根據(jù)需要添加；同時致動 器可根據(jù)永磁偏置需要采用一個或一個以上的永磁磁路體，根據(jù)需要添加；但 是，如果不需要永磁致偏置，則可不需要永磁磁路體。電磁通回路中，磁致伸 縮體兩端分別通過剛性導磁棒連接剛性導磁支架，可使電磁線圈產生的磁場被 導入磁致伸縮物體；永;茲通回路中，磁致伸縮體兩端分別通過剛性導磁棒連接 剛性導》茲支架，可使永石茲體產生的；茲場被導入》茲致伸縮物體。
致動器中磁致伸縮體為一種在磁場勵磁作用下可產生伸縮行為的物體，磁 致伸縮體可采用磁致形狀記憶合金、磁致伸縮材料棒、磁流變液體等。
剛性導磁棒與剛性非導磁支架接觸的一側或兩側設置彈性體，彈性體通常 采用彈簧等具有彈性的物體；與彈性體連接的剛性非導磁支架的位置設有螺栓 蓋，螺栓蓋調節(jié)彈性體的壓縮量，實現(xiàn)磁致伸縮體的壓緊和位置固定。
根據(jù)磁致伸縮類智能材料的磁致激勵應變機理，即對于磁致伸縮材料體， 當外加電》茲場、或永;茲場或電；茲和永》茲復合激勵》茲場作用時，；茲致伸縮材料體 將產生在外磁場加載方向上的伸縮位移(如巨磁致伸縮材料)，或產生在垂直外 磁場加載方向上的伸縮位移(如磁致形狀記憶合金)。據(jù)此，當外部電磁線圈或 永》茲體所產生勵磁場可以被》茲路導入磁致伸縮體中時，磁致伸縮體將產生》茲致 伸縮變形，即產生磁致伸縮位移。當磁致伸縮體在被當外部電磁線圈產生的永 》茲場或一皮外部永磁體;茲場或^皮外部電》茲線圈產生的永/磁場和外部永》茲體》茲場同時激勵前后產生了變形，該變形以伸長位移的方式由剛性導磁棒和隔磁端塊傳 遞出去，并最終推動負載。
該致動器可以實現(xiàn)大電流強》茲場，多^各復合的大電流強》茲場以及電》茲場和 永磁場復合磁場的激勵，并且電磁激勵線圈發(fā)熱對磁致伸縮材料不產生直接負 效應。本發(fā)明特別適用于有小尺寸、強^f茲場、大位移、大負載和避免溫升影響 要求的精密驅動、定位領域的器件研發(fā)。
電磁磁路體導磁材料桿和永磁磁路體導磁材料桿的形狀即磁路形狀可以根 據(jù)實際結構環(huán)境需要而改動，只要能將電磁和/或永磁勵磁場導入磁致伸縮體中 即可。
與現(xiàn)有技術相比，本致動器具有以下優(yōu)點
1. 可實現(xiàn)線圈置于致動器外部的無電》茲熱影響的》茲致伸縮驅動；
2. 可實現(xiàn)多路電磁場疊加復合激勵，可以實現(xiàn)多路磁場疊加的超強磁場激 勵，進而容易實現(xiàn)超強勵磁場作用下的大伸縮位移和大負載致動能力；
3. 容易實現(xiàn)電磁場和永》茲場復合激勵，永磁場作用同時實現(xiàn)了預磁偏置， 4吏致動器可以產生無倍頻的伸長和收縮的效果；同時也可以通過永》茲》茲場強度 的調節(jié)，使磁致伸縮體在其伸縮的線性工作區(qū)致動，使致動器具有良好的線性 驅動性能；
4. 由于可采用多路電磁場激勵，對于本來由單個線圏產生的磁場，可由多 路電磁線圈疊加產生，這樣對于每一路線圈的設計要求，如整體尺寸、線徑以 及纏繞方式都可降低要求，使致動器的電磁線圈的設計和加工相對容易；
5. 由于電磁線圏被置于致動器框架(殼體)外部，所以致動器框架(殼體) 內部的體積可以設計和制作的結構更緊湊，尺寸更??；外部電磁環(huán)節(jié)還可以全
部置于了冷卻介質中，實現(xiàn)超大電流，減小熱損；
6. 由于可以實現(xiàn)多個電磁線圏的交替勵磁驅動，所以可以緩解致動器高頻 激勵情況下的電磁線圈的電感負效應以及電》茲線圈熱損耗；
7. 由于可以采用多個電磁線圈驅動，所以致動器的驅動性能，如位移精度， 驅動位移的大小，驅動力的大小可以通過多個線圏的復合控制信號共同完成；如一路磁激勵信號用于激勵致動器產生伸縮，而另 一路電磁信號專門作用于控
制致動器在產生伸縮過程中的磁滯回現(xiàn)象；這使得一些致動器精確控制容易實現(xiàn)。
本發(fā)明的機構可用于研制要求產生大位移、大負載、高精度驅動功能的儀 器和設備，以及對現(xiàn)有磁致伸縮驅動設備、儀器的改進，可廣泛應用于致動器、 制動器、電機、振動及控制設備、機器人、精密制造、生物醫(yī)學工程等領域。

圖1為致動器俯視示意圖； 圖2為致動器實施例1的示意圖； 圖3為致動器實施例1的工作狀態(tài)示意圖； 圖4為致動器實施例2的示意圖； 圖5為致動器實施例3的示意圖。
具體實施方式
實施例1
如圖1、 2、 3所示，本發(fā)明機構包括剛性非導磁支架2和設置在剛性非導 磁支架2內的磁致伸縮體1,剛性非導磁支架2的相對的兩側設有貫通口 ，貫通 口內設置相對于貫通口可自由運動的剛性導》茲棒3,剛性導》茲澤奉3與磁致伸縮體 1固接；剛性非導磁支架2外側設有剛性導磁支架8,剛性導磁支架8的一側邊 開口，其余側邊封閉；剛性導磁支架8的周邊纏繞電磁線圈6;磁致伸縮體l與 剛性導磁棒3、剛性導磁支架8構成一個電磁通回路10，電磁通回路10設置五 個。剛性導磁棒3相對于剛性導磁支架的開口側邊可自由運動；剛性非導磁支 架2 、剛性導石茲支架8皆固定設置。
剛性導磁棒3與剛性非導磁支架2接觸的兩側設置彈簧4,與彈簧4連接的 剛性非導磁支架的位置設有螺栓蓋5,螺栓蓋5調節(jié)彈簧4的壓縮量，實現(xiàn)磁致 伸縮體1的壓緊和位置固定。致動器還包括兩個永磁通回路11 ，永磁通回路11 中包括永》茲體7, 7Jc^茲體7嵌入剛性導》茲支架8內，永》茲體7兩極分別通過剛性導磁支架8與剛性導磁棒3、磁致伸縮體1連接組成一個永磁通回路11。由電 磁通回路10和永磁通回路11組成的所有磁通回路以貫通口為中心，沿貫通口
徑向呈輻射狀結構，如圖1所示。剛性導磁棒3的末端連接隔磁端塊9。
磁致伸縮體1釆用巨磁致伸縮材料棒。工作時，對一個電磁線圈6通入電 流，產生磁場，該磁場經由剛性導磁支架8、剛性導磁棒3后導入磁致伸縮體1， 此時，磁致伸縮體1勵磁。由于磁致伸縮材料特性，磁致伸縮體1受磁場激勵 后將沿導入磁場方向產生伸長變形。當電磁線圈6產生的電》茲場強度足夠大時， 其伸長變形力大于彈簧4在磁致伸縮體1兩端施加的壓力，產生變形將由位于 磁致伸縮體1兩端的剛性導磁棒3向外傳遞，彈簧4被壓縮，同時帶動與剛性 導磁棒3連接的隔磁端塊9，最終推動與隔磁端塊9連接的負載產生向外伸長的 動作。
當電磁激勵撤銷，磁致伸縮體1不再勵磁而收縮，同時在彈簧4的回復壓 力作用下，隨^i致伸縮體l的收縮，帶動剛性導》茲才奉3，進而帶動最外端的負載 產生向里拉即縮短的動作。至此，通過對電磁線圈6通斷電流，使致動器產生 伸縮致動功能；并且該伸縮致動的位移和輸出力的大小可以通過控制電磁線圈6 中加載電流強度的大小進行精確控制。
為了提高磁致伸縮體1的電磁驅動效率，使磁致伸縮體1在其伸縮線性區(qū) 工作，同時解決磁致伸縮體1伸長倍頻問題，》茲致伸縮體1需要施加永磁場偏 置。工作時，永磁通回路11的永磁體7產生永磁場經由與永磁體7串接的剛性 導磁支架8、剛性導磁棒3后導入磁致伸縮體1，此時，磁致伸縮體1被永磁場 勵磁。由于磁致伸縮材料特性，磁致伸縮體1受永磁場激勵后將沿導入永磁場 方向產生伸長變形。此時，利用電》茲線圏6產生電》茲場，如前所述，該電》茲場 也對磁致伸縮體1進行激勵，產生伸長；但是，如果此時施加的電磁場方向與 永磁場方向相同，那么磁致伸縮體1復合勵磁強度增加，則磁致伸縮體1在永磁 磁場激勵伸長的基礎上進一步伸長；如果此時施加的電磁場方向與永磁場方向 相反，那么石茲致伸縮體1的復合勵》茲強度減小，則》茲致伸縮體1在永》茲》茲場激 勵伸長的基礎上縮短，該伸長或縮短動作，如前述動作過程，將最終推動或拖動外部負載產生伸縮動作。至此，通過對電-茲線圏6通斷電流并復合永石茲體7
磁場共同作用，使致動器產生伸縮致動功能；并且該伸縮致動的位移和輸出力 的大小可以通過控制電磁線圏6中加載電流強度的大小和永磁體的體積(永磁
體的磁場強度與其體積成正比)進行精確控制。
由于電磁線圏6位于剛性非導磁支架2夕卜，不直接包裹磁致伸縮體l,所以 電磁線圈6所產生的熱并不直接影響磁致伸縮體1，使磁致伸縮體1不受電磁線 圈6產生的熱量導致的熱脹影響，從而使整個致動器的伸縮致動位移更精確。 并且，由于永磁體7位于剛性非導磁支架2夕卜，致動體殼體內部體積小，機構 簡單，永磁體7也不影響電磁體磁路的導通效率，漏磁少，致動器整體驅動效 率高。
如圖1所示，并結合上述致動器被驅動產生伸縮動作的過程，如果單個電 /磁線圈6或單個電磁線圏6和永》茲體7復合的電i茲效率低，如電》茲發(fā)熱、加載 電流強度有限，單個線圏的尺寸受限，電磁場強度不夠、永磁偏置強度不足等， 則可以采用 一個以上的電磁》茲路體或采用 一個以上的電磁磁路體和永磁磁路體 同時工作。此種情況下，多路磁路體共同作用時，可產生超強或復合超強的石茲 致伸縮體1的勵磁磁場，使致動器產生大變形和大輸出力。相對于單路磁路體 激勵情形產生的同強度勵磁場，多路磁路體的每一個電磁線圈6可以只通過小 電流激勵，線圈線徑也可以較細，體積較小，熱損少，同時，用于為多路激勵。 所以可以對不同的磁路上的的電磁線圈6通入不同的電流，以實現(xiàn)多路組合式 電流驅動控制，有益于控制解決磁致伸縮體1的伸縮非線性問題。由于所有電 磁線圏6均位于剛性非導磁支架2夕卜，不直接接觸磁致伸縮體l,所以電磁線圏 6產生的熱不直接影響磁致伸縮體1產生熱脹，致動精度高。該種多路復合情形 的致動器易于產生超強磁場激勵的超大磁致伸縮應變及超大負載致動性能。
實施例2
如圖4所示，本發(fā)明機構包括剛性非導磁支架2和設置在剛性非導磁支架2 內的^i致伸縮體1，剛性非導》茲支架2的一側設有貫通口 ，貫通口內設置相對于 貫通口可自由運動的剛性導i茲棒3,剛性導磁棒3與》茲致伸縮體1固接；剛性非導磁支架2外側設有剛性導磁支架8，剛性導磁支架8的一側邊開口 ，其余側邊
封閉；剛性非導磁支架2上與貫通口相對的一側設有開口，剛性導^f茲支架8貫 穿開口后與磁致伸縮體l直接連接。剛性導磁支架8的周邊纏繞電磁線圖6;磁 致伸縮體1與剛性導磁棒3、剛性導磁支架8構成一個電磁通回路10,電磁通 回路10可兩兩相對設置，所有的電磁通回路10皆為以磁致伸縮體1為圓心成 輻射狀結構；也可以只設置兩個相對的電;茲通回^各10。剛性導;茲一奉3相對于剛 性導磁支架的開口側邊可自由運動；剛性非導磁支架2、剛性導磁支架8皆固定 設置。
剛性導磁棒3與剛性非導磁支架2接觸的一側設置彈簧4，與彈簧4連接的 剛性非導磁支架的位置設有螺栓蓋5,螺栓蓋5調節(jié)彈簧4的壓縮量，實現(xiàn)》茲致 伸縮體1的壓緊和位置固定。所有的電》茲通回3各10為以》茲致伸縮體1為圓心成 輻射狀結構。剛性導^l棒3的末端連接隔^i端塊9。
實施例3
如圖5所示，本發(fā)明機構包括剛性非導磁支架2和設置在剛性非導磁支架2 內的；茲致伸縮體1,剛性非導》茲支架2的相對的兩側設有貫通口 ，貫通口內設置 相對于貫通口可自由運動的剛性導磁棒3,剛性導;茲棒3與》茲致伸縮體1固接； 剛性非導磁支架2外側設有剛性導磁支架8,剛性導磁支架8的一側邊開口 ，其 余側邊封閉；剛性導;茲支架8的周邊纏繞電^茲線圏6;》茲致伸縮體1與剛性導》茲 棒3、剛性導》茲支架8構成一個電磁通回路10,單一的電》茲通回路10對磁致伸 縮體1勵磁。剛性導磁棒3相對于剛性導磁支架的開口側邊可自由運動；剛性 非導磁支架2、剛性導磁支架8皆固定設置。
剛性導磁棒3與剛性非導磁支架2接觸的兩側設置彈簧4,與彈簧4連接的 剛性非導磁支架的位置設有螺栓蓋5,螺栓蓋5調節(jié)彈簧4的壓縮量，實現(xiàn)磁致 伸縮體1的壓緊和位置固定。剛性導磁棒3的末端連接隔磁端塊9。
權利要求1. 一種磁致伸縮體致動器，其特征在于包括剛性非導磁支架和設置在剛性非導磁支架內的磁致伸縮體，剛性非導磁支架的一側或相對的兩側設有貫通口，貫通口內設置相對于貫通口可自由運動的剛性導磁棒，剛性導磁棒與磁致伸縮體固接；剛性非導磁支架外側設有剛性導磁支架，剛性導磁支架的一側邊開口，其余側邊封閉；剛性導磁支架的周邊纏繞電磁線圈；磁致伸縮體與剛性導磁棒、剛性導磁支架構成一個電磁通回路；剛性導磁棒相對于剛性導磁支架的開口側邊可自由運動；剛性非導磁支架、剛性導磁支架皆固定設置。2.根據(jù)權利要求1所述的磁致伸縮體致動器，其特征在于電磁通回路至少設置一個。
2. 根據(jù)權利要求1所述的磁致伸縮體致動器，其特征在于電磁通回路至少設置 一個。
3. 根據(jù)權利要求1所述的磁致伸縮體致動器，其特征在于致動器還包括至少一個永磁通回i 各，永》茲通回路中包括永》茲體，7JO磁體嵌入剛性導石茲支架內，永磁體兩極分別通過剛性導》茲支架與剛性導;茲棒、》茲致伸縮體連接組成一個永 磁通回路。
4. 根據(jù)權利要求2或3所述的》茲致伸縮體致動器，其特征在于由電》茲通回路和 永磁通回路組成的所有磁通回路以貫通口為中心，沿貫通口徑向呈輻射狀結 構。
5. 根據(jù)權利要求1所述的磁致伸縮體致動器，其特征在于剛性導磁棒與剛性非 導磁支架接觸的 一側或兩側設置彈性體。
6. 根據(jù)權利要求7所述的磁致伸縮體致動器，其特征在于彈性體為彈簧。
7. 才艮據(jù)權利要求7或8所述的磁致伸縮體致動器，其特征在于與彈性體連接的剛性非導磁支架的位置設有螺栓蓋，螺栓蓋調節(jié)彈性體的壓縮量，實現(xiàn)磁致 伸縮體的壓緊和位置固定。
8. 根據(jù)權利要求1所述的磁致伸縮體致動器，其特征在于剛性導磁棒的末端連 才妻隔;茲端塊。
9. 根據(jù)權利要求1所述的磁致伸縮體致動器，其特征在于磁致伸縮體采用磁致 形狀記憶合金、；茲致伸縮材4H奉、》茲流變液體。
專利摘要本實用新型涉及一種產生直線運動的利用電致伸縮或磁致伸縮的電動機或發(fā)電機。本磁致伸縮體致動器，包括剛性非導磁支架和設置在剛性非導磁支架內的磁致伸縮體，剛性非導磁支架的一側或相對的兩側設有貫通口，貫通口內設置相對于貫通口可自由運動的剛性導磁棒，剛性導磁棒與磁致伸縮體固接；剛性非導磁支架外側設有剛性導磁支架，剛性導磁支架的一側邊開口，其余側邊封閉；剛性導磁支架的周邊纏繞電磁線圈；磁致伸縮體與剛性導磁棒、剛性導磁支架構成一個電磁通回路；剛性導磁棒相對于剛性導磁支架的開口側邊可自由運動；剛性非導磁支架、剛性導磁支架皆固定設置。本機構可用于研制要求產生大位移、大負載、高精度驅動功能的儀器和設備。
文檔編號H02N2/02GK201234215SQ20082002555
公開日2009年5月6日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權日2008年7月11日
發(fā)明者健 李, 楊錦堂 申請人:楊錦堂