专利名称：油膜轴承专用超磁致伸缩驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种油膜轴承专用超磁致伸縮驱动器(Giant Magnetostrictive Actuators,GMA)。
背景技术：
传统油膜轴承承载能力好、寿命长，广泛应用于冶金、电力、矿山、化工和机械等行业，但其旋转精度低、稳定性不高，使其在一些高精度要求的领域中的应用受到限制。针对传统油膜轴承存在的这一问题，文献[l-2]提出了可控挤压油膜轴承，如图l。其工作原理是通过高低压油腔产生的压力差推动油膜外环沿轴向移动，改变轴承油膜间隙和有效承载长度来改善轴承的动特性。可控挤压油膜轴承尽管具有明显的减振效果，但其调节精度不高，反映速度也受液压系统调节速度慢的影响，响应速度慢。
超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material, GMM)，是一类二元稀土合金材料，在室温和低磁场下有很大的磁致伸縮系数。经我们初步研究发现，GMM有反映速度快、伸缩应变量大、动态响应宽等优点，应用GMM开发的驱动器可以实现与油膜厚度同一数量级的位移输出，非常适合油膜轴承的间隙控制。
发明内容
本发明的目的在于应用GMM开发提供一种油膜轴承专用超磁致伸縮驱动器，用来改造传统油膜轴承，实现油膜间隙可调，从而提高油膜轴承的旋转精度和稳定性。
为达到上述目的，本发明的构思是由于在磁场环境下，超磁致伸縮驱动器(GMA)的伸縮量同磁场的强度呈单调关系，而磁场强度与缠绕在GMM外的线圈几何结构、匝数、线径、通过线圈的电流大小等因素有关。通过电涡流位移传感器测得油膜间隙，然后通过改变输入电流来调节GMA的伸縮量，从而调节油膜间隙。
根据上述构思，本发明采用下述技术方案
一种油膜轴承专用超磁致伸縮驱动器包括底座、外壳和上盖。其特征在于所述底座为导磁底座，所述外壳为导磁外壳，所述上盖为不导磁上盖；所述外壳内腔中心处安置一根超磁致伸縮棒，其下端支承于底座上，而上端紧密接触一个导磁密封盖；所述外壳、底座、超磁致伸縮棒和导磁密封盖之间形成的环形腔中安置一个不导磁的线圈架，在所述线圈架上缠绕
着线圈；在所述导磁密封盖上紧密接触一个支承块，所述支承块与所述上盖的中心孔调配并从中心孔伸出；所述上盖通过螺柱螺母使其与外壳和和底座紧固成一体；所述导磁密封盖顶面与上盖内底面之间保持有效间隙。上述线圈由内外两线圈组成，其内线圈为激励线圈，实现超磁致伸縮驱动器的动态调节，外线圈为偏置线圈，实现超磁致伸縮驱动器的静态调节。
上述偏置线圈的匝数大于所述激励线圈的匝数；偏置线圈匝数愈多，静态调节范围愈大；激励线圈匝数愈少，超磁致伸缩驱动器的动态响应愈好。
上述超磁致伸缩棒为超磁致伸縮材料制成的棒，所述超磁致伸縮材料为一种叫Terfenol-D稀土合金材料。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和优点
(1) 、线圈设计合理，可使GMA静态调节范围较宽并且调节方便，动态响应良好。为了调节油膜轴承中心的静平衡位置，GMA静态输出位移必须可调。设计偏置线圈，通过调节偏置线圈电流来调节初磁场，从而方便地调节了 GMA的静态输出位移，这样就实现了油膜轴承中心静平衡位置可调的目的，并且在GMA结构允许的条件下，偏置线圈匝数越多，越有利于增加GMA的静态调节范围。在动态调节时，偏置线圈输入电流后产生偏置磁场，有利于消除GMM的倍频现象。
油膜轴承中专用的GMA，需同歩控制转子的振动，还必须具有良好的动态响应特性，即要求响应时间短、电感和阻抗小。电感和阻抗都与螺线管的动态调节(激励)线圈匝数的平方成正比[3]。那么减小动态调节线圈的匝数，就可以大大减少线圈的电感和阻抗。这样，静态调节和动态调节就不可能共用一组线圈，另外设计了动态激励线圈。
因此，油膜轴承中专用的GMA，其磁场应该由两个线圈提供，偏置线圈提供偏置初磁场，匝数多，静态调节范围大，动态调节线圈的匝数尽量少，GMA的动态响应好。
(2) 、 GMA不需专门的冷却系统。 一般情况下，GMA电磁线圈(包括驱动线圈和偏置线圈)通电工作时有发热现象，对GMM的影响显著而不可忽略。但在主动控制油膜轴承上应用的GMA，在静态调节时，由于温升，引起了 GMA输出位移的增大，这反而加宽了GMA的静态输出位移调节范围。在动态调节时，为避免倍频现象发生，需要预先给GMA施加偏置电流。动态调节电流与偏置电流相比较小，对于己经达到热平衡的温度场影响不大，对GMM热变形的影响很小，可以忽略；同时，GMA浸泡在润滑油中，随着润滑油的循环流动，将GMA产生的部分热量带走。因此，应用在主动控制油膜轴承上的GMA，不需专门的冷却系统。
(3) 、不需专门的预应力加载装置，结构紧凑、简单。应用在油膜轴承中时，可以用油膜轴承原有的结构结合GMA中的支撑块给GMM施加预应力，不需专门的预应力加载装置。
图1是现有技术的可控挤压油膜轴承结构示意图。 图2是本发明一个实施例的结构示意图。 图3是图2中电磁线圈几何形状结构。 图4是油膜轴承专用GMA静态性能测试曲线 图5是油膜轴承专用GMA动态性能测试曲线
具体实施例方式
本发明的一个优选实施例结合附图详述如下
参见图2，本油膜轴承专用超磁致伸縮驱动器包括底座10、外壳2和上盖6。其特征在 于所述底座10为导磁底座，所述外壳2为导磁外壳，所述上盖6为不导磁上盖；所述外壳2 内腔中心处安置一根超磁致伸縮棒9，其下端支承于底座10上，而上端紧密接触一个导磁密 封盖4;所述外壳2、底座10、超磁致伸縮棒9和导磁密封盖4之间形成的环形腔中安置一 个不导磁的线圈架7，在所述线圈架7上缠绕着线圈；在所述导磁密封盖4上紧密接触一个 支承块5，所述支承块5与所述上盖6的中心孔调配并从中心孔伸出；所述上盖6通过螺柱 螺母1使其与外壳2和和底座10紧固成一体；所述导磁密封盖4顶面与上盖6内底面之间保 持有效间隙。
上述线圈由内外两线圈组成，其内线圈为激励线圈8，实现超磁致伸縮驱动器的动态调 节，外线圈为偏置线圈3，实现超磁致伸縮驱动器的静态调节。
上述偏置线圈的匝数大于所述激励线圈8的匝数；偏置线圈3匝数愈多，静态调节范围 愈大；激励线圈8匝数愈少，超磁致伸缩驱动器的动态响应愈好。
上述超磁致伸缩棒为超磁致伸縮材料制成的棒，所述超磁致伸縮材料为一种叫Terfenol-D 稀土合金材料。
下面进一步具体说明
由于现有GMM棒的规格限制，我们围绕GMM棒实施了螺线管(线圈几何形状)设计， 线圈线径优选，整体磁路优化等计算。本发明的一个优选实施例是参见图3。 GMM棒的 尺寸为/m=30mm， rm=5mm;线圈的尺寸为r, = 7mm ， r2 = 20mm ， /e = 40mm ;偏置
线圈的匝数^2 =1300、电阻为11Q，激励线圈的匝数^1=300、电阻为1.8Q、激励线圈的电 感为5.7mH。
图4示出在不同预应力下，不同大小的电流与GMA伸縮量关系曲线，即油膜轴承专用 GMA静态性能测试曲线。图5示出在不同预应力下，不同频率的电流与GMA伸縮量关系曲线(以输出力曲线表示)， 即油膜轴承专用GMA动态性能测试曲线。
GMA的静态性能测试曲线验证了所研制的GMA在常态磁场的作用下，能产生与油膜轴承的 油膜间隙在同一个数量级的位移输出，从图中还可以看出，如果预应力选择合理的话，输入 电流与GMA输出位移几乎成线性。GMA的动态性能测试曲线又表明，GMA在多种频率的交 流电作用下，有良好的动态响应，这能够满足油膜轴承减振所需的激励频率。综上所述，油 膜轴承专用GMA作为驱动器可以用来控制油膜轴承的间隙，抑制油膜轴承转子的振动，从而 提高油膜轴承旋转精度和稳定性。
权利要求
1. 一种油膜轴承专用超磁致伸缩驱动器包括底座(10)、外壳(2)和上盖(6)。其特征在于所述底座(10)为导磁底座，所述外壳(2)为导磁外壳，所述上盖(6)为不导磁上盖；所述外壳(2)内腔中心处安置一根超磁致伸缩棒(9)，其下端支承于底座(10)上，而上端紧密接触一个导磁密封盖(4)；所述外壳(2)、底座(10)、超磁致伸缩棒(9)和导磁密封盖(4)之间形成的环形腔中安置一个不导磁的线圈架(7)，在所述线圈架(7)上缠绕着线圈；在所述导磁密封盖(4)上紧密接触一个支承块(5)，所述支承块(5)与所述上盖(6)的中心孔调配并从中心孔伸出；所述上盖(6)通过螺柱螺母(1)使其与外壳(2)和和底座(10)紧固成一体；所述导磁密封盖(4)顶面与上盖(6)内底面之间保持有效间隙。
2. 根据权利要求1所述的油膜轴承专用超磁致伸縮驱动器，其特征在于所述线圈由内外两线 圈组成，其内线圈为激励线圈(8)，实现超磁致伸縮驱动器的动态调节，外线圈为偏置线 圈(3)，实现超磁致伸縮驱动器的静态调节。
3. 根据权利要求2所述的油膜轴承专用超磁致伸縮驱动器，其特征在于所述偏置线圈(3)的 匝数大于所述激励线圈(8)的匝数；偏置线圈(3)匝数愈多，静态调节范围愈大；激励线圈 (8)匝数愈少，超磁致伸縮驱动器的动态响应愈好。
4. 根据权利要求1所述的油膜轴承专用超磁致伸縮驱动器，其特征在于所述超磁致伸縮棒(9) 为超磁致伸縮材料制成的棒，所述超磁致伸縮材料为一种叫Terfeno1-D稀土合金材料。
全文摘要
本发明涉及一种油膜轴承专用超磁致伸缩驱动器。它包含导磁的底座，导磁的外壳，超磁致伸缩棒，线圈骨架，激励线圈，偏置线圈，导磁密封盖，上盖，紧固螺钉，支撑块。用电涡流位移传感器测得轴承油膜间隙，通过调节驱动器的供电电流来调节驱动器的输出位移量，实现油膜间隙的静态和动态调节，达到提高油膜轴承旋转精度和稳定性的目标。
文档编号H02N2/02GK101483399SQ20091004649
公开日2009年7月15日 申请日期2009年2月24日 优先权日2009年2月24日
发明者付亚琴, 超 吴, 珍 曹, 李宝福, 文 王, 琦 王, 马柯达 申请人:上海大学