专利名称：基于磁控形状记忆合金的数控液压动力单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液压装置，尤其是一种能输出高压油的液压动力单元，具体地说 是一种基于磁控形状记忆合金的数控液压动力单元。
背景技术：
众所周知，液压动力单元是液压系统的“心脏”，是决定系统性能的关键元部件。目 前液压动力单元主要是由电动机(或内燃机)、联轴器和液压泵组成，电动机将电能转化为 机械能，再通过联轴器传递到液压泵，然后由液压泵将机械能转化为液压能输出。因此，传 统液压动力单元在不同程度上存在如下问题(1)体积和重量较大；(2)变量机构响应慢、 难于实现数控变量；(3)动密封效果较差；(4)噪声大；(5)组成复杂、效率低、可靠性低。CN1168715A公开了一种运用形状记忆合金的液压泵。该液压泵通过改变形状记忆 合金的温度实现形状记忆合金变形，从而推动活塞运动实现活塞腔体的吸排油。但是，该方 法由于受温度场驱动，其响应频率很低(IHz左右)，很难满足工业化要求。公知磁控形状记忆合金(Magnetic Shape Memory Alloy, MSMA)是一类新型的机 敏功能材料，不但具有传统形状记忆合金受温度场控制的热弹性形状记忆效应，而且具有 受磁场控制的磁性形状记忆效应(Magnet i c ShapeMemory Effect，MSME)。因此，兼有大恢 复应变、大输出应力、高响应频率和可精确控制的综合特性，使其可能在大功率水下声呐、 微位移器、震动和噪声控制、线性马达、微波器件、机器人等领域有重要应用，有望成为压电 陶瓷和磁致伸缩材料之后的新一代驱动与传感材料。目前，已发现的磁控形状记忆合金主 要包括Ni 系合金，Ni-Mn-Ga，Ni-Al-Mn, Ni-Co-Al 等；Co 系合金，Co_Mn，Co-Ni，Co-Ni-Ga 等；Fe 系合金，Fe-Pd，Fe-Mn-Si,Fe-Ni-Co-Ti，Fe-Pt，Fe-C，Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co 等。其中， Ni-Mn-Ga合金是最早发现的MSMA，对它的研究也最为深入和最具代表性，并且已实现初步 应用。传统形状记忆合金，如TiNi基，Cu基，Fe基等，虽然具有较大的可逆恢复应变和大 的恢复力，但由于受温度场驱动，其响应频率很低(IHz左右)。与形状记忆合金相比，压电 陶瓷和磁致伸缩材料虽然具有很高的响应频率(1000Hz左右)，但所能达到的最大应变也 只有0. 2%，限制了材料在实际工程中的应用。而MSMA则兼有大应变和高响应频率，目前报 道MSMA的最大磁致应变为9. 4%，最高响应频率可达5000Hz，在150Hz高频交变磁场中仍 能获得高达的大磁致应变，弥补了传统形状记忆合金响应频率慢、压电及磁致伸缩材料 应变小的不足，是一种较为理想的驱动材料。
发明内容
本发明的目的是现有的液压动力单元均采用电动机驱动存在体积大、响应慢等一 系列问题，设计一种体积小、重量轻、数控变量、响应快、密封好、噪声低、效率高、可靠性高 的基于磁控形状记忆合金的数控液压动力单元。本发明的技术方案是
一种基于磁控形状记忆合金的数控液压动力单元，它主要由数字驱动控制器10 和与之电气连接的液压动力单元本体11组成，其特征是所述的液压动力单元本体11包括 缸体3和与缸体3相连的后端盖8和前端盖9，缸体3至少设有两个柱塞孔12，柱塞孔12 中安装有柱塞6，密封圈7套装在柱塞6上，柱塞孔12的一端同时与高压出油口和低压进油 口相通，进油单向阀4安装在所述的低压进油口上，排油单向阀5安装在所述的高压出油口 上，柱塞6的一端与安装在柱塞孔12中的复位弹簧13相抵，柱塞6的另一端与磁控形状记 忆合金棒2的一端相连，磁控形状记忆合金棒2的另一端与铰轴14相连，铰轴14铰装在前 端盖9上，前端后9和后端盖8均与缸体3相连，在柱塞孔12的周围、磁控形状记忆合金棒 2整个行程范围内覆盖有磁场激励装置1，磁场激励装置1与数字驱动控制器10电气连接。所述的缸体3设有一个与各低压进油口相通的低压油腔15，该低压油腔15通过油 管与油缸或液压马达的输出端相连。所述的数字驱动控制器2包括一个控制芯片、与柱塞个数对应的功率驱动管、光 耦隔离电路和稳压电路及辅助电路，每个功率驱动管对应控制一个磁场激励线圈电源的通 断，控制芯片根据控制指令与反馈信号解算出液压动力单元流量、压力需求，控制各个功率 驱动管按照一定的频率轮流导通使液压动力单元输出所需流量、压力的液体；根据控制指 令与反馈信号控制高速换向阀4的方向切换；高速换向阀4、传感器、磁场激励线圈引线与 数字驱动控制器2之间通过电缆连接；控制芯片、传感器、功率驱动管由直流电源或地面交 流变直流电源供电。所述的数字驱动控制器将系统的压力、压差、位移、速度、加速度信号引入闭环控 制，提高系统控制精度。所述的液压动力单元本体11和数字驱动控制器10可以一体化设计，也可以分体 设计。本发明的有益效果本发明直接将电能转化为液压能，具有体积小、重量轻，数控变量、响应快，摩擦副 少、密封性能好、噪声低，效率高、可靠性高等优点。本发明取消了传统液压动力单元的电动机(或内燃机)，而电动机(或内燃机)重 量占据整个液压动力单元的绝大部分，本发明的液压动力单元的体积重量大大减小；传统 液压动力单元的液压泵有外伸泵轴，且泵轴随原动机轴一起高速旋转，因此存在外部泄漏 途径，本发明的液压动力单元没有旋转运动，动密封处数少，密封效果好；传统液压动力单 元的液压泵的变量机构较复杂、数控变量的动态特性较差难以满足实际使用要求，本发明 的液压动力单元采用数字控制调节功率驱动管的开关频率控制输出流量，响应快；传统液 压动力单元原动机为旋转机械、传动系摩擦副较多且一般存在冷却风扇，使得整个动力单 元噪声很大，本发明的液压动力单元不存在旋转运动从原理上克服了噪声大的缺点；传统 液压动力单元一般需要联轴器、运动转换机构、泵架等辅助机构及装置，多处连接及配合降 低了能量转化效率和可靠性、增加了动力单元的复杂性，本发明的液压动力单元结构简单， 效率高、可靠性高。
图1是本发明的原理图。
图2是本发明的液压动力单元本体的结构示意图。图3是本发明的数字驱动控制器的电原理示意图。图中1为磁场激励装置2为磁控形状记忆合金棒3为缸体4为进油单向阀5为排 油单向阀6为柱塞7为聚酰亚胺密封圈8为后端盖9为前端盖10为数控驱动控制器11为 液压动力单元本体12为柱塞孔13为复位弹簧14为铰轴15为低压油腔。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图1、2、3所示。一种基于磁控形状记忆合金的数控液压动力单元，它主要由数字驱动控制器10 和与之电气连接的液压动力单元本体11组成，所述的液压动力单元本体11包括缸体3、后 端盖8和前端盖9，缸体3设有一个与各低压进油口相通的低压油腔15，该低压油腔15通 过油管与油缸或液压马达的输出端相连，每个缸体3上至少安装设有二个以上柱塞孔12， 所述的柱塞6安装在缸体3上的柱塞孔12中，密封圈7套装在柱塞6上，柱塞孔12的一端 同时与高压出油口和低压进油口相通，进油单向阀4安装在所述的低压进油口上，排油单 向阀5安装在所述的高压出油口上，柱塞6的一端与安装在柱塞孔12中的复位弹簧13相 抵，柱塞6的另一端与磁控形状记忆合金棒2的一端相连，磁控形状记忆合金棒2的另一端 与铰轴14相连，铰轴14铰装在前端盖9上，前端后9和后端盖8均与缸体3相连，在柱塞 孔12的周围、磁控形状记忆合金棒2整个行程范围内覆盖有磁场激励装置1，磁场激励装 置1与数字驱动控制器10电气连接。液压动力单元本体11和数字驱动控制器10可以一 体化设计，也可以分体设计。本发明的关键是用磁控形状记忆合金棒的变形作为带动柱塞在缸体内运动的动力源，从而改变容 腔体积实现吸排油过程，多个柱塞轮流吸排油形成一个液压动力单元，一个基于控制芯片 控制的功率驱动控制器分别控制各磁控形状记忆合金磁场发生器的电源的通断频率实现 液压动力单元的数字控制。磁控形状记忆合金棒与柱塞通过公知的方式连接并与前端盖铰 接，单向阀分别嵌在缸体内各柱塞的吸液和排液回路上，磁场激励线圈嵌入缸体内并覆盖 磁控形状记忆合金棒在变形过程的整个行程，每个柱塞孔的吸油与排油回路上分别安装一 个单向阀，盖板与缸体采用螺纹连接，各处需要密封的地方采用公知的密封元件密封，磁场 激励线圈的引线通过电缆与数字驱动控制器连接；数字驱动控制器由控制芯片、功率驱动管、光耦隔离电路、稳压电路及辅助电路组成。控制芯片根据接受的指令调节连接各磁场激 励线圈的功率驱动管的开关频率从而控制各柱塞的运动频率，最终控制液压动力单元的输 出流量。通过各种传感器感知执行机构的压力、压差、位移、速度、加速度等状态反馈给控制 器，易于实现闭环控制。动力单元本体和数字驱动控制器可以一体化设计，也可以分体设计如图1所示，本发明的动力单元由液压动力单元本体11和数字驱动控制器10组 成，数字驱动控制器10接收控制指令，解算出功率驱动管开关频率，控制各功率驱动管按 照解算出来的频率依次导通液压动力单元的磁控形状记忆合金的磁场激励线圈电源，控制 液压动力单元输出系统所需流量压力的液体，实现液压传动与控制功能。如图2所示，液压动力单元由多个磁控形状记忆合金棒及柱塞、缸体、端盖、单向阀、密封、磁场激励线圈、铁心等组成。磁控形状记忆合金棒与柱塞通过公知的方式连接并 与前端盖铰接，单向阀分别嵌在缸体内各柱塞的吸液和排液回路上，磁场激励线圈嵌入缸 体内并覆盖磁控形状记忆合金棒在变形过程的整个行程，磁场激励线圈的引线通过电缆与 数字驱动控制器连接。如图2所示，磁控形状记忆合金棒使用材料为Ni-Mn-Ga合金棒2，即镍锰镓合金 棒制作的形状记忆合金棒。Ni-Mn-Ga合金棒能量密度大，电-机耦合因数高，输出力大，变 形位移大，其应变超过10%。Ni-Mn-Ga合金变形位移响应快，一般小于ms ；频率响应快，在 150Hz范围内有稳定输出。如图2所示，磁场激励装置1由磁场激励线圈和铁心组成，磁场激励线圈通电通过 铁心给磁控记忆合金棒施加磁场，与缸体之间采用公知技术连接。柱塞与柱塞孔之间采用 聚酰亚胺材料密封圈7密封，端盖8、9与缸体3之间采用0型圈密封，各柱塞与前端盖通过 铰接连在一起，端盖与缸体通过螺钉连接，各单向阀与缸体通过螺纹连接。各磁场激励线圈 引线集中在一起采用连接器与数字驱动控制器相连。如图2所示，柱塞个数应在二个以上，最好采用奇数个，一般为7个或9个。数字驱动控制器10如图3所示，它包括一个控制芯片、与柱塞个数对应的功率驱 动管、光耦隔离电路、稳压电路及其外围的辅助电路，每个功率驱动管对应控制一个磁场激 励线圈电源的通断，控制芯片根据控制指令与反馈信号解算出液压动力单元流量、压力需 求，控制各个功率驱动管按照一定的频率轮流导通使液压动力单元输出所需流量、压力的 液体；根据控制指令与反馈信号控制高速换向阀的方向切换。高速开关阀(控制高速换向 阀的前置控制装置)、传感器、磁场激励线圈引线与数字驱动控制器之间通过电缆连接。控 制芯片、传感器、功率驱动由直流电源或地面交流变直流电源供电。它由控制芯片、功率驱 动管、光耦隔离电路、稳压电路及辅助电路组成。数字驱动控制器的功率电源为直流电源， 可以为电池，也可以为地面交流变直流电源，控制芯片的控制电源采用直流电源。数字驱动 控制器将电压稳定在所需要的电压后，控制芯片控制各功率管的导通与关断进而控制各磁 记忆合金棒磁场的通断。控制芯片与功率管之间采用光耦隔离。控制芯片的驱动采用直流 电源。根据实际使用需要，可将系统的压力、位移、压差、速度等信号引入控制器做闭环控 制，提高控制精度。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
一种基于磁控形状记忆合金的数控液压动力单元，它主要由数字驱动控制器(10)和与之电气连接的液压动力单元本体(11)组成，其特征是所述的液压动力单元本体(11)包括缸体(3)和与缸体(3)相连的后端盖(8)和前端盖(9)，缸体(3)至少设有两个柱塞孔(12)，柱塞孔(12)中安装有柱塞(6)，密封圈(7)套装在柱塞(6)上，柱塞孔(12)的一端同时与高压出油口和低压进油口相通，进油单向阀(4)安装在所述的低压进油口上，排油单向阀(5)安装在所述的高压出油口上，柱塞(6)的一端与安装在柱塞孔(12)中的复位弹簧(13)相抵，柱塞(6)的另一端与磁控形状记忆合金棒(2)的一端相连，磁控形状记忆合金棒(2)的另一端与铰轴(14)相连，铰轴(14)铰装在前端盖(9)上，在柱塞孔(12)的周围、磁控形状记忆合金棒(2)整个行程范围内覆盖有磁场激励装置(1)，磁场激励装置(1)与数字驱动控制器(10)电气连接。
2.根据权利要求1所述的基于磁控形状记忆合金的数控液压动力单元，其特征是所述 的缸体(3)设有一个与各低压进油口相通的低压油腔(15)，该低压油腔(15)通过油管与油 缸或液压马达的输出端相连。
3.根据权利要求1所述的基于磁控形状记忆合金的数控液压动力单元，其特征是所述 的数字驱动控制器(2)包括一个控制芯片、与柱塞个数对应的功率驱动管、光耦隔离电路 和稳压电路及辅助电路，每个功率驱动管对应控制一个磁场激励线圈电源的通断，控制芯 片根据控制指令与反馈信号解算出液压动力单元流量、压力需求，控制各个功率驱动管按 照一定的频率轮流导通使液压动力单元输出所需流量、压力的液体；根据控制指令与反馈 信号控制高速换向阀(4)的方向切换；高速换向阀(4)、传感器、磁场激励线圈引线与数字 驱动控制器(2)之间通过电缆连接；控制芯片、传感器、功率驱动管由直流电源或地面交流 变直流电源供电。
4.根据权利要求1或3所述的基于磁控形状记忆合金的数控液压动力单元，其特征是 所述的数字驱动控制器将系统的压力、压差、位移、速度、加速度信号引入闭环控制，提高系 统控制精度。
5.根据权利要求1、3或4所述的基于磁控形状记忆合金的数控液压动力单元，其特征 是所述的液压动力单元本体(11)和数字驱动控制器(10)可以一体化设计，也可以分体设 计。
全文摘要
一种基于磁控形状记忆合金的数控液压动力单元，它主要由数字驱动控制器(10)和与之电气连接的液压动力单元本体(11)组成，其特征是所述的液压动力单元本体(11)包括缸体(3)，缸体(3)至少设有两个柱塞孔(12)，柱塞孔(12)中安装有柱塞(6)，柱塞孔(12)的一端同时与高压出油口和低压进油口相通，柱塞(6)的一端与复位弹簧(13)相抵，另一端与磁控形状记忆合金棒(2)的一端相连，磁控形状记忆合金棒(2)的另一端通过铰轴(14)铰装在前端盖(9)上，在柱塞孔(12)的周围覆盖有磁场激励装置(1)，磁场激励装置(1)与数字驱动控制器(10)电气连接。本发明直接将电能转化为液压能，具有体积小、重量轻，数控变量、响应快，摩擦副少、密封性能好、噪声低，效率高、可靠性高等优点。
文档编号F15B21/08GK101839268SQ20101018524
公开日2010年9月22日 申请日期2010年5月27日 优先权日2010年5月27日
发明者李侃 申请人:南京晨光集团有限责任公司