专利名称：一种超磁致伸缩材料的驱动机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超磁致伸缩材料的宽温域技术，尤其是涉及一种超磁致材料的伸缩驱动机构。
背景技术：
在军事航天等技术应用领域，元器件所处的环境条件非常严酷，要求其正常工作的环境温度在_55°C +125°C区间内。对于伸缩驱动机构而言，很难保证其在全温度范围内均能正常工作。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服单一超磁致伸缩材料工作温度范围的限制，提供一种超磁致伸缩材料的驱动机构，该机构通过两种超磁致伸缩棒的有效结合，扩大其适用的温度范围，并利用温度自适应驱动电路获得较为平稳的输出应变曲线，满足了更高的环境温度要求。本发明的技术解决方案是一种超磁致伸缩材料的驱动机构，其特征在于包括超磁致伸缩棒1、驱动线圈2、预压机构3、输出杆4、外壳5、端盖6、温度自适应驱动电路7， 超磁致伸缩棒1套入驱动线圈2的骨架轴内，超磁致伸缩棒1的输出端与输出杆4连接，驱动线圈2位于外壳5内部，输出杆4套入端盖6内，能够自由伸缩，端盖6置于驱动线圈上部，所述的超磁致伸缩棒1、外壳5、端盖6和输出杆4组成闭合磁路；所述的预压机构3位于端盖上部，通过输出杆4给超磁致伸缩棒1施加预压力，所述的温度自适应驱动电路7用于给驱动线圈2供电并调节励磁电流大小；所述的超磁致伸缩棒1包括低温超磁致伸缩棒 8和高温超磁致伸缩棒9，低温超磁致伸缩棒8与高温超磁致伸缩棒9同轴连接成整体。所述的温度自适应驱动电路7主要包括温度采集处理单元、信号控制处理单元、 功率输出单元、供电及保护单元，供电及保护单元分别为温度采集处理单元和信号控制处理单元提供偏置电压，温度采集处理单元通过采集驱动线圈2的温度信号，并将温度的变化转化成线性电压信号输出给信号控制处理单元，信号控制处理单元根据接收到的线性电压信号判断当前环境温度的数值，计算出功率输出单元的控制电压，传递给功率输出单元， 控制驱动线圈2的电流。所述的温度采集处理单元通过温度传感器实现，所述的信号控制处理单元通过单片机和D/A转换器实现，所述的功率输出单元通过MOSFET管实现。所述低温超磁致伸缩棒和高温超磁致伸缩棒之间首先采用环氧树脂材料进行粘接，然后放入烘箱中，在60°C-8(TC下固化他-lOh，取出，即制备成宽温域超磁致伸缩棒。所述低温超磁致伸缩棒适用的温度范围为-55°C -50°C，所述高温超磁致伸缩棒适用的温度范围为40°C -125°C，所述的预压机构3包括压盖12、预压弹簧10、调节螺母11，预压弹簧10套于输出杆4的凸沿上，调节螺母11旋于压盖孔上，并与预压弹簧10 —端压紧，压盖10与外壳5铆接固定。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明实现了一种适用于温度区间较大的超磁致材料的伸缩驱动机构，两个超磁致伸缩棒同轴连接，组成一个整体，扩大了温度适用范围，扩大了驱动机构的温度适用范围，使其在-55°C +125°C的全温度范围内均可获得较大的输出应变。(2)本发明采用温度自适应驱动电路，使系统可以根据实际测试温度的变化自动调节驱动电流大小，使得超磁致伸缩驱动线圈的磁场大小发生改变，从而改变超磁致伸缩棒的输出应变。温度自适应驱动电路可使系统在整个温度范围内具有较为平稳的输出应变曲线，提高了系统输出性能的稳定性。
图1为本发明超磁致材料的伸缩驱动机构结构示意图；图2为本发明温度自适应驱动电路的原理示意图；图3为本发明一种温度自适应驱动电路示意图；图4为本发明温度自适应驱动电路对超磁致伸缩棒伸缩性能的调节效果示意图。
具体实施例方式超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material，简写为GMM)是指美国水面武器中心的Clark博士于70年代初首先发现的有很大的磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物，典型材料为TbxDyh/e^。式中χ表示Tb/Dy之比，y代表R/i^e之比，χ 一般为
0.27 0. 35，y为0. 1 0. 05。这种三元稀土合金材料已实现商品化生产，典型商品牌号为 Terfenol-D ( ^ Edge Technologies 公司)或 Magmek86 (瑞典的 Feredyn AB 公司)， 代表成分为Tba27Dya73Fe^与压电材料(PZT)及传统的磁致伸缩材料Ni、Co等相比，超磁致伸缩材料具有独特的性能在室温下的应变值很大(1500 2000ppm)，是镍的40 50 倍，是压电陶瓷的5 8倍；能量密度高(14000 25000J/m)，是镍的400 500倍，是压电陶瓷的10 14倍；机电耦合系数大；响应速度快(达到us级)；输出力大，可达220 880N。本发明经过分析研究和试验，低温超磁致伸缩棒材料可采用Tba3Dya7Zn,在-196 0°C内能够工作，高温超磁致伸缩棒可采用Tba Jya72(Fea9Niai)2，在-60 150°C内能够工作，这两种材料均可在甘肃兰州天星公司、有色金属研究院等多家单位购买。本发明的整体思路是通过采用适用于低温 室温的超磁致伸缩棒、适用于室温 高温的超磁致伸缩棒及温度自适应驱动电路。两个超磁致伸缩棒同轴连接成整体，套入驱动线圈骨架轴内，并由预压机构对其提供预压力，组成超磁致伸缩驱动机构，使超磁致伸缩棒处于最佳磁机耦合状态，在线性范围内获得较大输出位移，并通过温度自适应电路对位移进行调节以获得稳定的输出位移。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。如图1所示为本发明超磁致材料的伸缩驱动机构结构示意图，包括超磁致伸缩棒
1、驱动线圈2、预压机构3、输出杆4、外壳5、端盖6、温度自适应驱动电路7，超磁致伸缩棒 1包括低温超磁致伸缩棒8和高温超磁致伸缩棒9，低温超磁致伸缩棒8和高温超磁致伸缩棒9之间首先采用环氧树脂材料进行粘接，然后放入烘箱中，在60°C -80°C下固化他-lOh，取出，即制备成一体式的超磁致伸缩棒1。超磁致伸缩棒1套入驱动线圈2的骨架轴内，超磁致伸缩棒1的输出端与输出杆4连接，驱动线圈2位于外壳5内部，输出杆4套入端盖6 内，能够自由伸缩，端盖6置于驱动线圈上部，所述的超磁致伸缩棒1、外壳5、端盖6和输出杆4组成闭合磁路。预压机构3位于端盖上部，通过输出杆4给超磁致伸缩棒1施加预压力，使超磁致伸缩棒8、9处于最佳磁机耦合状态，在线性范围内获得较大输出位移。由于两个超磁致伸缩棒适用的温度区间不同，试验表明，当系统处于低温环境(_55°C -50°C左右) 时，主要由超磁致伸缩棒8提供输出应变；当系统处于高温环境(40°C-125°C左右)中时， 主要由超磁致伸缩棒9提供输出应变；在一定的温度区间(30°C -60°C )内，两个超磁致伸缩棒均具有较好的伸缩性能，产生较大的输出应变。本发明扩大了驱动机构的温度适用范围，使其在-55°C +125°C的全温度范围内均可获得所需的输出应变。所述的温度自适应驱动电路7用于给驱动线圈2供电并调节励磁电流大小。预压机构3包括压盖12、预压弹簧10、调节螺母11，预压弹簧10套于输出杆4的凸沿上，调节螺母12旋于压盖孔上，并与预压弹簧10 —端压紧，压盖12与外壳5铆接固定。 预压机构3给超磁致伸缩棒1施加预压力，轴向预压力可使GMM内部磁畴在零磁场时尽可能地沿着与轴向应力垂直的方向排列；在外加激励磁场作用下，可获得较大的轴向磁致伸缩应变，从而增大位移输出。另外，预压力的大小对磁机耦合系数和场耦合系数也有一定影响，适当大小的预压力可提高驱动器中电磁能向机械能的转换效率。如图2所示，为本发明温度自适应驱动电路7的原理示意图，温度自适应驱动电路 7主要包括温度采集处理单元、信号控制处理单元、功率输出单元、供电及保护单元，供电及保护单元分别为温度采集处理单元和信号控制处理单元提供偏置电压，温度采集处理单元通过采集驱动线圈2的温度信号，并将温度的变化转化成线性电压信号输出给信号控制处理单元，信号控制处理单元根据接收到的线性电压信号判断当前环境温度的数值，计算出功率输出单元的控制电压，传递给功率输出单元，控制驱动线圈2的电流。如图3所示，为温度自适应驱动电路的一种具体实现示意图，所述的温度采集处理单元通过温度传感器即可实现，所述的信号控制处理单元通过单片机和D/A转换器实现，所述的功率输出单元通过MOSFET管实现。两部分电源采用分压的方式从主回路获得， 其作用是为电路中各集成电路芯片提供偏置电压。模拟温度传感器将外界温度的变化转化成线性电压信号输出给单片机的A/D端口，单片机通过采集温度传感器输出的信号从而判断当前环境温度的数值，进而获得合理的功率MOSFET器件的栅极电压。D/A转换器将单片机输出的MOSFET栅极电平的数字信号转化为直接施加在MOSFET上的模拟信号，从而最终通过控制MOSFET栅极电压的大小控制通过MOSFET的电流。如图4所示，为本发明温度自适应驱动电路对超磁致伸缩棒伸缩性能的调节效果示意图。温度自适应驱动电路可使系统在整个温度范围内具有较为平稳的输出应变曲线， 提高了系统输出性能的稳定性。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种超磁致伸缩材料的驱动机构，其特征在于包括超磁致伸缩棒(1)、驱动线圈 ⑵、预压机构⑶、输出杆⑷、外壳(5)、端盖(6)、温度自适应驱动电路(7)，超磁致伸缩棒(1)套入驱动线圈O)的骨架轴内，超磁致伸缩棒(1)的输出端与输出杆(4)连接，驱动线圈⑵位于外壳(5)内部，输出杆⑷套入端盖(6)内，能够自由伸缩，端盖(6)置于驱动线圈上部，所述的超磁致伸缩棒(1)、外壳(5)、端盖(6)和输出杆⑷组成闭合磁路；所述的预压机构C3)位于端盖上部，通过输出杆(4)给超磁致伸缩棒(1)施加预压力，所述的温度自适应驱动电路(7)用于给驱动线圈(2)供电并调节励磁电流大小；所述的超磁致伸缩棒⑴包括低温超磁致伸缩棒⑶和高温超磁致伸缩棒(9)，低温超磁致伸缩棒⑶与高温超磁致伸缩棒(9)同轴连接成整体。
2.根据权利要求1所述的一种超磁致伸缩材料的驱动机构，其特征在于所述的温度自适应驱动电路(7)主要包括温度采集处理单元、信号控制处理单元、功率输出单元、供电及保护单元，供电及保护单元分别为温度采集处理单元和信号控制处理单元提供偏置电压，温度采集处理单元通过采集驱动线圈O)的温度信号，并将温度的变化转化成线性电压信号输出给信号控制处理单元，信号控制处理单元根据接收到的线性电压信号判断当前环境温度的数值，计算出功率输出单元的控制电压，传递给功率输出单元，控制驱动线圈(2)的电流。
3.根据权利要求2所述的一种超磁致伸缩材料的驱动机构，其特征在于所述的温度采集处理单元通过温度传感器实现，所述的信号控制处理单元通过单片机和D/A转换器实现，所述的功率输出单元通过MOSFET管实现。
4.根据权利要求1所述的一种超磁致伸缩材料的驱动机构，其特征在于所述低温超磁致伸缩棒和高温超磁致伸缩棒之间首先采用环氧树脂材料进行粘接，然后放入烘箱中， 在60°C -80°C下固化Mi-lOh，取出，即制备成宽温域超磁致伸缩棒。
5.根据权利要求1所述的一种超磁致伸缩材料的驱动机构，其特征在于所述低温超磁致伸缩棒适用的温度范围为-50°C，所述高温超磁致伸缩棒适用的温度范围为 400C -125°Co
6.根据权利要求1所述的一种超磁致伸缩材料的驱动机构，其特征在于所述的预压机构⑶包括压盖(12)、预压弹簧(10)、调节螺母(11)，预压弹簧(10)套于输出杆⑷的凸沿上，调节螺母(11)旋于压盖孔上，并与预压弹簧(10) —端压紧，压盖(10)与外壳(5) 铆接固定。
全文摘要
一种超磁致伸缩材料的驱动机构，包括超磁致伸缩棒(1)、驱动线圈(2)、预压机构(3)、输出杆(4)、外壳(5)、端盖(6)、温度自适应驱动电路(7)，超磁致伸缩棒(1)套入驱动线圈(2)的骨架轴内，超磁致伸缩棒(1)的输出端与输出杆(4)连接，驱动线圈(2)位于外壳(5)内部，输出杆(4)套入端盖(6)内，能够自由伸缩，端盖(6)置于驱动线圈上部，所述的超磁致伸缩棒(1)、外壳(5)、端盖(6)和输出杆(4)组成闭合磁路。该机构通过两种超磁致伸缩棒的有效结合，扩大其适用的温度范围，并利用温度自适应驱动电路获得较为平稳的输出应变曲线，满足了更高的环境温度要求。
文档编号H02N2/06GK102163937SQ20101062414
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者杨子健, 贾慧丽, 郝长岭 申请人:航天时代电子技术股份有限公司