一种Gafenol磁致伸缩超微步进电机的制作方法

本实用新型涉及电机技术领域，具体为一种Gafenol磁致伸缩超微步进电机。

背景技术：

目前微型步进电机主要有传统电磁式、压电式和磁致伸缩式，电磁式微型步进电机制造技术相对成熟，但控制精度低响应速度慢，难以实现小型化，而压电材料具有较高的控制精度且相应速度快，得到了广泛应用。与压电材料相比，新型的磁致伸缩材料(例如Terfenol-D、Galfenol)具有大应变(为压电材料的2-8倍)，能量密度高和低压驱动等优点，特别是Galfenol磁致伸缩材料具备良好的机械加工性能，能够承受较大的应力，能够很好地克服压电材料难以加工，输出力小的缺点，有望在微型步进电机领域得到广泛应用。

韩国专利KR101382876提出了一种磁致伸缩式超声旋转电机，本质上与压电超声电机相同，该电机无法实现步进运动，而俄国专利RU2074456中采用了相近的结构和原理实现旋转运动。而美国专利US5079460，US5341056中描述了两种旋转型步进电机，都采用了复杂的机械结构，难以实现小型化，且由于采取了多个磁致伸缩材料，导致驱动电路较为复杂。

中国专利CN102013834A、CN102005967A和CN102005966A针对已有的压电旋转电机实现了双向转动，这些电机需要两套压电片及驱动信号，配合设计空空间上的相位差来实现运动，能够实现小型化，但由于采用压电材料，使得电路驱动电压偏高，且输出力矩较小，且电极直接与驱动元件相连易损坏，这些缺陷限制了其应用范围。而专利CN204681229U和CN204119084 U采用了伸缩材料作为电机驱动部件，这些专利中采用了复杂的连杆、轮式结构以及多个磁致伸缩材料，零件机械加工难度较大，难以实现小型化。而CN102857104B提出了一种结构较为精简的双向驱动旋转电机，但受其结构设计的影响，存在线圈较大(有间隙)，且没有外壳无法给线圈提供闭合磁路，存在漏磁现象，从而使得其应用受到了限制。

在文献《Miniature Spheical Motors using Bimetal of Magnetostrictive Materials》中描述了一种多自由度球形磁致伸缩电机，其使用了4块的磁致伸缩伸缩材料和金属Ni复合作为驱动元件，实现了微型化和多自由度化，但它采用了一块永磁体放置于驱动元件的间隙，以提供直流磁场，并兼有吸附球形转子的作用，结构复杂谢谢加工难度高，且其球形转子仅靠永磁体的电磁吸力固定容易脱落，难以承受较大的负载。

针对以上现有技术中存在的问题：现有发明的微型步进电机结构复杂，难以实现小型化，机械与电路部分不能有效隔离，输出力矩小等缺陷，研究了一款Gafenol磁致伸缩材料驱动的超磁致伸缩电机具有一定的意义。

技术实现要素：

针对以上问题，本实用新型提供了一种简单的、低压驱动、双向转动的低成本超微旋转步进电机，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种Gafenol磁致伸缩超微步进电机，包括驱动元件、转子、底座、支撑架和端盖，所述转子的主体两端有各有一转轴，两转轴各穿过一个微型轴承，所述底座开有两凹槽，用于固定驱动元件，所述支撑架用于固定位于转子左右两侧的底座，所述端盖与微型轴承的厚度一致，微型轴承内嵌于端盖的圆孔内，所述驱动元件包括具有正磁致伸缩效应的Gafenol块体以及具有负磁致伸缩效应的铁镍合金块体，所述驱动元件外部密绕一层驱动线圈。

优选的，所述Gafenol块体长度略长于铁镍块体，两块体相互独立紧密贴合。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：当给驱动部件的线圈通以适当电流，Gafenol块体在增加磁场作用下产生伸长形变，通过表面摩擦力推动转子旋转，实现步进运动，由于Gafenol合金具有良好机械加工性能，可以实现磁致伸缩伸缩电机的超小型化，有望应用在纳米机器人等微机电领域。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型分解结构示意图；

图3为本实用新型驱动元件的结构示意图；

图4为本实用新型转子的结构示意图；

图5为本实用新型底座的结构示意图；

图6为本实用新型端盖的结构示意图；

图7为本实用新型电机步进旋转工作原理图；

图8为本实用新型电机逆时针转动时两相驱动电流波形；

图中：1-驱动元件；2-转子；3-微型轴承；4-底座；5-支撑架；6-端盖。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例：

请参阅图1至图6，该Gafenol驱动超微旋转步进电机、驱动元件、转子、微型轴承、底座、支撑架及端盖构成，驱动元件由Gafenol和铁镍块体复合而成，外部环绕驱动线圈，并由底座固定，所述驱动元件包括一个Gafenol块体，一个铁镍块体，Gafenol块体长度略长于铁镍块体，两块体相互独立紧密贴合，为降低在发生应变时块体间摩擦力，在装配时可在块体表面涂一层润滑油，驱动元件外部密绕一层驱动线圈；所述转子的主体两端有各有一转轴，上部转轴较长，作为外部输出轴，两转轴各穿过一个微型轴承；所述底座开有两凹槽，用于固定驱动元件；所述支撑架用于固定位于转子左右两侧的底座，并定位底座的位置，支撑架采用导磁材料，以方式线圈漏磁；所述转子和驱动元件在装配时，要保证Gafenol块体和铁镍块体的端部与转子相接触，这将由底座开槽位置及底座与支撑架的配合来确定；所述端盖与微型轴承的厚度一致，微型轴承内嵌于端盖圆孔内。

电机工作原理如图7所示，电机主要结构包括驱动相A、驱动相B以及转子，每个驱动相含有两个驱动元件(例如驱动相A含有元件A1、A2)在线圈未通以驱动电流时，处于自然静止状态。以电机逆时针旋转为例：图7.(a)所示电机处于静止锁紧状态，在驱动部件A1、A2、B1、B2的线圈中通以直流偏置电流(该电流大小以其所产生的直流偏置磁场为Gafenol的饱和磁场的1/2为准)，以确保Gafenol块体的伸长量为最大伸长量的1/2，电机转子被驱动元件A1、A2、B1、B2的块体端部抵住，从而实现锁紧；图7.(b)为旋转态，驱动元件B1、B2的驱动电流降为0，驱动元件A1、A2的驱动电流缓慢增加，A1、A2的Gafenol合金块体在增加的磁场作用下缓慢伸长，A1、A2的铁镍合金块体缓慢缩并且其端部逐渐远离转子，此时电机转子得以在摩擦力作用下发生转动，当电流达到目标值时恒定保持一段时间，以确保转子稳定保持在新的位置，电机转子距原始位置转过了角度θ；图7.(c)为结束锁紧态，A1、A2驱动线圈中的电流快速减小至原先的直流偏置电流大小，A1、A2的Gafenol合金块体开始缩短，A1、A2的其铁镍合金块体则开始伸长并重新抵住转子，以防止转子在Gafenol合金块体的收缩作用下反向转动，B1、B2的驱动电流迅速增加至直流偏置电流，电机转子结束转动过程并被锁紧。电机在运动过程中的驱动电流如图8所示。完成上述3个过程后就称电机实现了一次步进旋转，其转过的角度θ就称为步距角，电机的最小步距角由驱动相的最小有效步进电流决定，该电流大小与线圈匝数，驱动元件的尺寸，转子与驱动块体间的摩擦力有关。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。