专利名称：一种双相对置超磁致伸缩驱动器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及超磁致伸縮材料的应用，属于微驱动技术领域，双相对 置超磁致伸縮驱动器广泛应用于微型驱动器的研制及力传感器的制作，特别 适合于用做电液伺服控制阀的驱动单元。
背景技术：
传统电磁力矩驱动器的结构复杂、体积重量大、工作频宽较窄、能量密 度低、分辨率不高、抗干扰能力差，难以满足现代工业控制系统的要求，应 用受到很大限制。随着电液伺服阀向高压、大流量、高频响、高低温环境适 应性、抗干扰方向发展以及现代工业如精密位置控制、航空航天、海洋作业 和军事装备等领域对超高速电液伺服阀的需求，传统的力(矩)马达转换器工作频宽一般小于400Hz，已很难满足要求，研究和开发具有新型驱动技术 和新型驱动结构的电液伺服阀已成为电液伺服控制技术发展的方向。随着先进制造技术、现代设计技术和微电子技术的发展以及新型功能材 料的应用，研究和开发具有高频响应的电液伺服阀成为现实，出现了以新型 功能材料为基础的新型驱动器技术和以创新结构设计为基础的新型驱动结 构，奠定了现代电液伺服控制技术发展的基础。其中，以新型功能材料为基 础的电液伺服阀驱动及控制技术是目前提高电液伺服阀整体性能的主要技术 手段，也是当前研究的热点和焦点。目前，已获得应用的新型功能材料主要 有压电陶瓷材料(PZT)、电致伸縮材料(PMN)、超磁致伸縮材料(GMM)、 形状记忆合金(SMA)、电流变流体(ERF)等，它们都具有高频响、高精 度及大输出力等优异性能，在流体控制元件上都有一定的研究和应用报道。 其中，PZT和PMN都是电介质，在一定电场作用下都能产生轴向机械应变， 应变大小均与外加电场有关，但PZT存在严重的磁滞现象，应用于伺服阀时 主要以PMN为主。SMA是通过采用通电加热和强制冷却的方法来驱动执行 器运动，虽然变形量较大，但响应速度较慢，变形不连续，从而限制了其应 用范围。ERF是直接通过电场来改变ERF的粘度来实现无移动件驱动，响应 快，稳定性好，但目前的ERF的性能还不能完全满足工程应用的要求，在伺 服阀上的应用还仅处于研究和探讨阶段。稀土超磁致伸缩材料(Giant Magnetostriction Material,简称GMM) TbxDyl-xFe2-y (商品名为Terfenol-D)的磁致伸缩应变是传统的镍基和铁基 磁致伸縮材料的几十到上百倍，是近年刚发展起来的一种新型智能材料，具 有应变值很大、能量密度高、耦合系数大、声速低、居里点温度高等特点。 在电磁场和压应力作用下，能产生较大的体积或长度变化，在低频(5Hz 30kHz)、大行程、低压驱动、大功率、大承载、可非接触式测量与控制等方 面具有更优良的特性。基于超磁致伸縮材料的磁致伸縮效应，该材料被广泛用于制作驱动器。 目前，国内外研制的超磁致伸縮驱动器均采用直动式，基本的结构，如附图2 所示，在底座11中央凸台上装有超磁致伸縮棒4，超磁致伸縮棒4外装绕有驱 动线圈5、偏置线圈6的线圈骨架7，线圈骨架7外装有壳体3，壳体3的底端装 在底座ll的大凸台圆柱面上，超磁致伸縮棒4顶有输出组件10，输出组件10的 台肩上面依次装有预压弹簧12、与端盖2螺纹连接的预压螺母13，拧紧预压螺 母13能将预压弹簧12压在输出组件10的台肩上，同时为了抑制热变形，通常 采用水冷的方法，在壳体3和线圈骨架7的上、下端分别开有恒温水出口和恒 温水进口。其工作原理大致为当驱动线圈5通入一定电流时，引起磁场变化， 驱动超磁致伸缩棒4产生一定的伸长，推动输出组件IO，从而输出位移和力。 但在应用过程中，尚存在微位移输出位移和力较小，连续性控制较差，不具 自动对中回位关键技术问题，限制了在电液伺服控制阀中的应用。实用新型内容本实用新型的目的是针对现有直动式超磁致伸縮驱动器存在的缺陷，结 合超磁致伸縮材料的性能，提出了一种双相对置超磁致伸缩新型驱动器。该驱动器包括由壳体3和端盖2组成的外套、由线圈骨架7和调节螺钉1 组成的内套以及输出组件10;其特征在于 一对碟簧9套在输出组件10上，并置于壳体3内的中间位 置，两个结构和尺寸完全相同的单超磁致伸縮驱动器通过碟簧9对称置于输出组件10两侧，形成双相对置结构；所述的单超磁致伸缩驱动器包括超磁致伸缩棒4、驱动线圈5、偏置线圈 6、线圈骨架7、微位移放大机构8，并构成闭合磁路，使线圈中产生的磁通基本上都被约束在由磁性材料构成的磁路内，漏磁很小，不仅提高了螺线管 内磁场的均匀性，而且在励磁电流相同的条件下，螺线管内磁场强度也有提 高，更接近闭合回路的磁场强度。超磁致伸縮棒4置于空心线圈骨架7空心 部分，其长度小于线圈骨架7长度，直径略小于线圈骨架7空心部分的内径，改善超磁致伸縮棒4中磁场的均匀度，避免边端效应。线圈骨架7外绕有驱 动线圈5、驱动线圈5外绕有偏置线圈6，驱动线圈5、偏置线圈6和线圈骨 架7安装在壳体3内，驱动线圈5通交流电产生交流驱动磁场，偏置线圈6 通直流电产生偏置磁场，以消除倍频。超磁致伸縮棒4外侧连接调节螺钉1， 调节螺钉1与端盖2通过螺纹连接，超磁致伸縮棒4内侧连接微位移放大机 构8。调节螺钉1和碟簧9产生所需的预压应力，旋转调节螺钉1可调整预'压 应力的大小，合适的预压力可使GMM磁畴在零磁场时尽可能地沿着与轴向 应力垂直地方向排列，在外加驱动磁场作用时就可获得较大的伸縮应变。外套由壳体3和端盖2组成，材料采用热胀系数小于1.23X10-7的超因瓦 低胀系数合金钢，因其热胀系数仅为铁的1/100，可视为是没有热变形的"固 定"件；内套由线圈骨架7和调节螺钉1组成，材料采用导磁率小于1.03的 不锈钢，其热胀系数与超磁致伸縮材料相当，超磁致伸縮棒4热变形由内套 热致伸长补偿。在外套的固定下，内套和超磁致伸縮棒4产生大小基本相等、 方向均朝驱动器内部的热变性，从而保证输出位移不受热变形的影响，提高 了驱动器的精度。 ，微位移放大机构8是采用铍青铜板材一体加工出来的，通过端盖2、线圈 骨架7和壳体3的内的台阶面固定。微位移放大机构8为单自由度圆弧柔性 铰链，由上下对称的四连杆机构组成的封闭结构，结构和工作原理，如附图3、 4所示，位移放大倍数为T:AC/AB，参考马浩全、胡德金、张凯的《柔性铰 链位移放大机构在活塞加工中的应用》。因为整个机构是封闭的，刚性有较 大的提高，另外由于该机构的对称性，输入的位移同时通过上下两个四连杆 机构向输出端传递，以消除了附加位移，实现精密位移和定位，具有运动平 稳、无间隙、无摩擦及高精度的优点。双相对置超磁致伸縮驱动器的驱动线圈5采用差动输入，具有自动对中 回位功能。当驱动线圈5不通电时，驱动器输出组件10能够在预压应力作用 下自动处于中位；通入电流相等时，驱动器输出组件10能够在碟簧9所产生的相同作用力下自动处于中位，没有位移输出，具有自动对中回位功能。利 用驱动器输出端的自动对中回位功能，可实现伺服阀在断电、电缆损坏或者 紧急停车情况下伺服阀阀芯能自行回中，无需外力推动，防止对系统构成潜 在危险。双相对置超磁致伸縮驱动器采用双套热补偿机构抑制热变形，使用单自 由度柔性铰链机构来实现输出位移的放大和传递，驱动器通过差压(或偏压) 工作，能实现自动对中回位功能，具有高频响、高控制精度、大输出力、大 输出位移优异性能，特别是还具有结构简单和易于微型化等特点，可用做新 型伺服控制阀的驱动单元，以提高液压伺服控制系统的整体性能，满足现代 自动控制领域对高性能控制元件的要求。
图1为双相对置超磁致伸縮驱动器结构原理图。图中，l一调节螺钉、2—端盖、3—壳体、4—超磁致伸縮棒、5—驱动线 圈、6—偏置线圈、7—线圈骨架、8—微位移放大机构、9一碟簧、IO—输出组件图2直动式超磁致伸縮微位移驱动器结构简图图中，ll一底座、3—壳体、5—驱动线圈、6—偏置线圈、4—超磁致伸 縮棒、7—线圈骨架、IO—输出组件、12—预压弹簧、2—端盖、13—预压螺母图3为微位移放大机构结构图。 图4为微位移放大机构原理图。
具体实施方式
首先检查输出组件10是否对中，如果不满足，通过调节螺钉1进行调节， 偏置线圈6中输入直流电，并保证超磁致伸縮棒4工作在选择好的静态压力 状态下，以使超磁致伸縮棒4工作在线性区域。非差动式工作模式在一侧单超磁致伸縮驱动器的驱动线圈5中通入交 流电，产生变化的磁场使超磁致伸縮棒4被磁化，发生长度的变化，因超磁 致伸縮棒4外侧被调节螺钉1固定，则向内侧伸长，推动微位移放大机构8， 实现输出位移的放大和传递，再通过碟簧9在输出组件10输出位移和力；同时，对称侧单超磁致伸縮驱动器的驱动线圈5断电，相应的超磁致伸縮棒4不工作，没有位移产生；差动式工作模式对称两侧的驱动线圈5通入相同的交流电，当差动电流输入时， 一侧单超磁致伸縮驱动器的驱动线圈5中的电流增强，产生更大 的变化磁场使超磁致伸縮棒4磁化作用加强，发生更长的长度变化，推动微 位移放大机构8，实现输出位移的放大和传递，从而使超磁致伸縮棒4驱动'作 用增强；对称侧单超磁致伸縮驱动器的驱动线圈5中的电流减小，产生较小 的变化磁场使超磁致伸縮棒4磁化作用减弱，长度变化减小，超磁致伸縮棒4 驱动作用减弱，在两侧超磁致伸縮棒4的共同作用下，经碟簧9在驱动器输 出组件10输出位移和驱动力。对于直径为O10长度为60mm的超磁致伸縮棒， 最大输出力大于1200N，最大输出位移100//m以上，位移控制精度达±1/ 7; 响应频宽可达40 20000Hz，响应速度小于l/"，差动输入很好的提升了驱动 器的功能，发挥了超磁致伸縮材料的性能。
权利要求1、一种双相对置超磁致伸缩驱动器，该驱动器包括由壳体(3)和端盖(2)组成的外套、由线圈骨架(7)和调节螺钉(1)组成的内套以及输出组件(10)；其特征在于一对碟簧(9)套在输出组件(10)上，并置于壳体(3)内的中间位置，两个结构和尺寸完全相同的单超磁致伸缩驱动器通过碟簧(9)对称置于输出组件(10)两侧，形成双相对置结构；所述的单超磁致伸缩驱动器包括超磁致伸缩棒(4)、驱动线圈(5)、偏置线圈(6)、线圈骨架(7)、微位移放大机构(8)；超磁致伸缩棒(4)置于空心的线圈骨架(7)空心部分，线圈骨架(7)外绕有驱动线圈(5)、驱动线圈(5)外绕有偏置线圈(6)，驱动线圈(5)、偏置线圈(6)、线圈骨架(7)均安装在壳体(3)内；超磁致伸缩棒(4)外侧连接调节螺钉(1)，调节螺钉(1)与端盖(2)通过螺纹连接，超磁致伸缩棒(4)内侧连接微位移放大机构(8)；该微位移放大机构(8)为单自由度圆弧柔性铰链，由上下对称的四连杆机构组成的封闭结构，并通过端盖(2)、线圈骨架(7)和壳体(3)内的凸台固定。
专利摘要一种双相对置超磁致伸缩驱动器属于微驱动技术领域。本实用新型提出了一种双相对置超磁致伸缩新型驱动器，一对碟簧套在输出组件上，并置于壳体内的中间位置，两个结构和尺寸完全相同的单超磁致伸缩驱动器通过碟簧对称置于输出组件两侧，形成双相对置结构，并使用单自由度柔性铰链机构来实现输出位移的放大和传递，能实现自动对中回位功能，具有高频响、高控制精度、大输出力、大输出位移等优异性能，且结构简单和易于微型化，广泛应用于微型驱动器的研制及力传感器的制作，特别适合于用做电液伺服控制阀的驱动单元。
文档编号H02N2/02GK201113829SQ20072017370
公开日2008年9月10日 申请日期2007年10月19日 优先权日2007年10月19日
发明者伟 李, 王思民, 王新华, 峰 肖 申请人:北京工业大学