一种超磁致伸缩致动装置的制作方法

本发明涉及一种超磁致伸缩致动装置结构设计。

背景技术：

超磁致伸缩致动器是以超磁致伸缩材料为核心元件设计能够实现磁能与机械能互相转换的器件。用超磁致伸缩材料制作的致动器具有驱动电压低、体积小、无噪声、驱动力大等优点，但也具有体积大，而发热量高，输出位移小，使致动器的工作效率降低，在工业生产中达不到应用需求。因此，研制兼有体积小、大位移和发热量低等特点的超磁致伸缩致动器具有重要的应用价值。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种结构简单、体积小、大位移和发热量低、可靠性高的超磁致伸缩致动装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种超磁致伸缩致动装置包括底座、下导磁环、u形下导磁片、外壳、导磁套、永磁体、激励线圈、带螺纹线圈骨架、上导磁环、碟簧、上端盖、十字形输出杆、u形上导磁片、出水管、相变材料、超磁致伸缩棒、水冷腔内套筒、水冷腔外套筒和进水管；

所述外壳设置在底座上，下导磁环设置在底座上，所述u形下导磁片设置在下导磁环上；

所述导磁套与永磁体相互交错叠加固定形成组合套，所述组合套位于外壳内，所述下导磁环与组合套的下端面固定，所述上导磁环与组合套的上端固定；所述超磁致伸缩棒竖直设置在组合套的中部，所述超磁致伸缩棒的底端卡在u形下导磁片的凹槽内，所述超磁致伸缩棒的顶端卡在u形上导磁片的凹槽，所述u形下导磁片、超磁致伸缩棒和u形上导磁片位于水冷腔内套筒内，且u形上导磁片与水冷腔内套筒内壁间隙配合，所述水冷腔外套筒套在水冷腔内套筒外，所述水冷腔外套筒与水冷腔内套筒之间形成一个封闭的水冷腔，所述带螺纹线圈骨架套在水冷腔外套筒外，所述相变材料安装在水冷腔外套筒与带螺纹线圈骨架之间，所述激励线圈缠绕在带螺纹线圈骨架的外部且位于带螺纹线圈骨架与组合套之间；

所述上端盖设置在外壳的顶部，所述十字形输出杆设置在上端盖与上导磁环之间，所述十字形输出杆由竖直输出杆和设置在竖直输出杆外圆上的支撑板组成，所述碟簧套在竖直输出杆上，碟簧的一端压在上端盖上，碟簧的另一端压在支撑板上，所述支撑板压在上导磁环上，所述竖直输出杆的上端伸出上端盖并与上端盖间隙配合，所述竖直输出杆的下端穿过上导磁环并与上导磁环间隙配合，所述竖直输出杆的下端面压在u形上导磁片上；

所述出水管和进水管分别穿过水冷腔外套筒、带螺纹线圈骨架和外壳，所述出水管靠近上导磁环，所述进水管靠近下导磁环，所述出水管和进水管的一端分别与水冷腔内连通。

作为本发明的一种优选方案，所述下导磁环、u形下导磁片、导磁套、永磁体、上导磁环、十字形输出杆和u形上导磁片均为导磁材料，所述下导磁环、u形下导磁片、导磁套、永磁体、上导磁环、十字形输出杆、u形上导磁片和超磁致伸缩棒形成闭合磁路；所述底座、外壳和上端盖为非导磁材料；所述带螺纹线圈骨架采用尼龙材料制成；所述相变材料采用十水硫酸钠材料。

作为本发明的另一种优先方案，该装置还包括定位螺栓，定位螺栓为非导磁材料；所述定位螺栓从底座的底部中心穿过底座和下导磁环并旋入u形下导磁片底部设置的螺纹孔内。

作为本发明的又一种优先方案，该装置还包括水箱和水泵，所述进水管的另一端经水泵与水箱内相通；所述出水管的另一端与水箱内相通。

作为本发明的一种改进方案，所述外壳、碟簧、上端盖和十字形输出杆组合构成预紧装置。

作为本发明的另一种改进方案，所述水冷腔外套筒、相变材料和带螺纹线圈骨架构成相变温控装置。

作为本发明的又一种改进方案，所述出水管、水冷腔、水箱、水泵和进水管组成冷却水循环装置。

作为本发明的进一步改进方案，所述外壳的顶部外圆上设置外螺纹，所述上端盖通过其上设置的内螺纹旋套在外壳的顶部。

作为本发明的进一步改进方案，所述组合套上端的导磁套的上部以及组合套下端的导磁套的下部分别在圆周方向上均布设置螺纹孔，所述下导磁环通过螺钉与组合套下端的导磁套固定连接，所述上导磁环通过螺钉与组合套上端的导磁套固定连接；所述导磁套与永磁体通过粘结的方式固定。

作为本发明的再进一步改进方案，所述下导磁环与上导磁环之间设置三个环形结构的永磁体，三个永磁体的形状、尺寸和材料相同，且磁化方向相同。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1、结合相变温控装置和冷却水循环装置之间的配合，将超磁致伸缩致动器内部热量带到外界环境，保证磁致伸缩棒的温度保持恒定，能实施长时间温控，能有效抑制热误差输出，位移输出控制精度可达到亚微米级甚至更高，并且能适应各种恶劣的工作环境。

2、将提供偏置磁场的永磁体与导磁套合为一体，使结构更紧凑，可减小致动器的体积；这样的结构还有利于散热。

附图说明

图1为一种超磁致伸缩致动装置的结构示意图。

图中，1—底座；2—定位螺栓；3—下导磁环；4—u形下导磁片；5—外壳；6—导磁套；7—永磁体；8—激励线圈；9—带螺纹线圈骨架；10—上导磁环；11—碟簧；12—上端盖；13—十字形输出杆；14—u形上导磁片；15—出水管；16—相变材料；17—超磁致伸缩棒；18—水冷腔内套筒；19—水冷腔外套筒；20—冷却水；21—水箱；22—水泵；23—进水管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，一种超磁致伸缩致动装置包括底座1、定位螺栓2、下导磁环3、u形下导磁片4、外壳5、导磁套6、永磁体7、激励线圈8、带螺纹线圈骨架9、上导磁环10、碟簧11、上端盖12、十字形输出杆13、u形上导磁片14、出水管15、相变材料16、超磁致伸缩棒17、水冷腔内套筒18、水冷腔外套筒19、冷却水20、水箱21、水泵22和进水管23。

以底座1的圆心为中心，外壳5焊接在底座1上，下导磁环3设置在底座1上，u形下导磁片4设置在下导磁环3上。u形下导磁片4的底部设置螺纹孔，定位螺栓2从底座1的底部中心穿过底座1和下导磁环3并旋入u形下导磁片4底部设置的螺纹孔内。

导磁套6与永磁体7相互交错叠加固定形成组合套，在本实施例中，组合套由四个导磁套6和三个永磁体7相互交错叠加而成，导磁套6与永磁体7通过粘结的方式固定。组合套位于外壳5内，下导磁环3与组合套的下端面固定，上导磁环10与组合套的上端固定。在本实施例中，组合套上端的导磁套6的上部以及组合套下端的导磁套6的下部分别在圆周方向上均布设置螺纹孔，下导磁环3通过螺钉与组合套下端的导磁套6固定连接，上导磁环10通过螺钉与组合套上端的导磁套6固定连接。超磁致伸缩棒17竖直设置在组合套的中部，超磁致伸缩棒17的底端卡在u形下导磁片4的凹槽内，超磁致伸缩棒17的顶端卡在u形上导磁片14的凹槽，水冷腔内套筒18设置在超磁致伸缩棒17外，u形下导磁片4、超磁致伸缩棒17和u形上导磁片14均位于水冷腔内套筒18内，且u形上导磁片14与水冷腔内套筒18内壁间隙配合，水冷腔外套筒19套在水冷腔内套筒18外，水冷腔外套筒19与水冷腔内套筒18之间形成一个封闭的水冷腔。带螺纹线圈骨架9套在水冷腔外套筒19外，带螺纹线圈骨架9的上部和下部均向内侧和外侧延伸，带螺纹线圈骨架9的上部和下部向内侧的延伸部位紧靠在水冷腔外套筒19的外壁上，带螺纹线圈骨架9的上部和下部向外侧的延伸部位紧靠在组合套的内壁上。相变材料16安装在水冷腔外套筒19与带螺纹线圈骨架9之间，相变材料16且位于带螺纹线圈骨架9的上部和下部向内侧的延伸部位之间。水冷腔外套筒19、相变材料16和带螺纹线圈骨架9构成相变温控装置。激励线圈8缠绕在带螺纹线圈骨架9的外部且位于带螺纹线圈骨架9与组合套之间，激励线圈8并位于带螺纹线圈骨架9的上部和下部向外侧的延伸部位之间。

上端盖12设置在外壳5的顶部，外壳5的顶部外圆上设置外螺纹，上端盖12内设置内螺纹，上端盖12通过其上设置的内螺纹旋套在外壳5的顶部的外螺纹上。十字形输出杆13设置在上端盖12与上导磁环10之间，十字形输出杆13由竖直输出杆和设置在竖直输出杆外圆上的支撑板一体组成，碟簧11套在竖直输出杆上，碟簧11的一端压在上端盖12上，碟簧11的另一端压在支撑板上，支撑板压在上导磁环10上，竖直输出杆的上端伸出上端盖12并与上端盖12间隙配合，竖直输出杆的下端穿过上导磁环10并与上导磁环10间隙配合，竖直输出杆的下端面压在u形上导磁片14上。

出水管15和进水管23分别穿过水冷腔外套筒19、带螺纹线圈骨架9和外壳5，出水管15靠近上导磁环10，进水管23靠近下导磁环3，出水管15和进水管23的一端分别与水冷腔内连通。进水管23的另一端经水泵22与水箱21内相通；出水管15的另一端与水箱21内相通。出水管15、水冷腔、水箱21、水泵22和进水管23组成冷却水循环装置，盛装在水箱21内的冷却水20通过水泵22和进水管23不断的抽入水冷腔，然后通过出水管15又回流到水箱21内。本发明结合相变温控装置和冷却水循环装置之间的配合，将超磁致伸缩致动装置内部热量带到外界环境，保证磁致伸缩棒17的温度保持恒定，能实施长时间温控，能有效抑制热误差输出，位移输出控制精度可达到亚微米级甚至更高，并且能适应各种恶劣的工作环境。

下导磁环3、u形下导磁片4、导磁套6、永磁体7、上导磁环10、十字形输出杆13和u形上导磁片14均为导磁材料，下导磁环3、u形下导磁片4、导磁套6、永磁体7、上导磁环10、十字形输出杆13、u形上导磁片14和超磁致伸缩棒17形成闭合磁路。底座1、外壳5、上端盖12和定位螺栓2为非导磁材料；带螺纹线圈骨架9采用尼龙材料制成；相变材料16采用十水硫酸钠材料。

下导磁环3与上导磁环10之间设置三个环形结构的永磁体7，三个永磁体7的形状、尺寸和材料相同，且磁化方向相同。外壳5、碟簧11、上端盖12和十字形输出杆13组合构成预紧装置，可对超磁致伸缩棒17施加不同的预压力，使超磁致伸缩棒17获得更大伸缩量。调节激励线圈8输入交流电流的大小，产生驱动磁场控制超磁致伸缩棒17伸长或缩短，由于u形下导磁片4对超磁致伸缩棒17有支撑作用，所以超磁致伸缩棒17的长度改变量将通过十字形输出杆13对外输出，表现为超磁致伸缩微位移致动器的位移输出。

在输入交流电流作用下，超磁致伸缩致动装置将会产生两部分损耗：超磁致伸缩棒17滞回损耗和激励线圈8焦耳损耗。激励线圈8的焦耳损耗将主要引起激励线圈温度升高。在温差的作用下，热量将会沿激励线圈8的径向向两侧传递，其中一部分沿带螺纹线圈骨架9传递给冷却水20；另一部分热量沿水冷腔内套筒18传递给相变材料16，部分相变材料16开始从固态转变为液态，吸收热量。超磁致伸缩棒17滞回损耗将主要引起超磁致伸缩棒17温度升高。在温差的作用下，热量从超磁致伸缩棒17沿水冷腔内套筒18传递给冷却水20，冷却水20吸收热量，这样就可以保持超磁致伸缩棒17的温度基本不变。由于冷却水20的温度低于相变材料16的相变温度，那么相变材料16吸收的部分热量将通过水冷腔外套筒19传递给冷却水20。在水泵22的带动下，冷却水20从水箱21经出水管15流入超磁致伸缩致动装置，再从进水管23流回水箱21，完成一个循环流动。通过一个循环，冷却水20可以把热量从超磁致伸缩致动装置内部转移到外界环境，可保证相变材料16不因全部发生固液转变而温控失效，并使整个超磁致伸缩致动装置温度基本维持不变，实现抑制驱动器温升和热变形误差输出，提高输出位移控制精度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。