一种超磁致伸缩驱动器的制作方法

本发明涉及超磁致伸缩技术领域，具体是一种超磁致伸缩驱动器。

背景技术：

在常温下由于磁化状态的改变，其长度和体积会发生较大变化，即具有极大的磁致伸缩系数的磁致伸缩材料被称为超磁致伸缩材料简称(gmm)，由于多为稀土构筑，又称稀土超磁致伸缩材料。这种材料具有很高的耐热温度，磁致伸缩性能强。在室温下，机械能和电能之间的转换率高、能量密度大、响应速度快、可靠性好、驱动方式简单。然而，超磁致伸缩驱动器在工作时，线圈发热引起的超磁致伸缩棒的热变形量与超磁致伸缩驱动器的可控位移最大输出均为几十微米，处于同一数量级，对驱动器精度的影响较大。同时，线圈散发的热量不仅会向磁致伸缩棒传递，也会由线圈的两端面及外表面分别向底座、端盖和壳体等部件传递，导致其变形，从而也会影响到驱动器的输出精度。因而在长时间、大电流、超高精密的工作场合，现有驱动器技术不能很好的满足精度要求。磁致伸缩式驱动器作为新型驱动器技术，具有频率高、居里温度高、可控性高、响应快、切换速度快、功率消耗低、环境因素影响小等优点，但由于磁致伸缩材料输出位移较小等缺点，制约着磁致伸缩驱动器的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超磁致伸缩驱动器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超磁致伸缩驱动器，包括壳体和设置在壳体底部的底座，所述壳体内部设有磁场产生装置、冷却装置、预紧装置和定位装置，还包括有用于对超磁致伸缩驱动器进行性能检测的检测装置

进一步的：所述磁场产生装置包括设置在壳体内部下侧的线圈骨架和设置在线圈骨架外侧的永磁铁，在线圈骨架的外侧绕接有驱动线圈，在驱动线圈的外侧绕接有偏置线圈，在线圈骨架的内部与驱动线圈、偏置线圈的接触处设有隔热板，在线圈骨架中间的设有空腔且在空腔内部安装有u形筒，在u形筒的开口端内部放置有第一超磁致伸缩棒，在u形筒的外侧且在线圈骨架的空腔内部左右对称放置有两个第二超磁致伸缩棒，两个第二超磁致伸缩棒的顶端均与u形筒的外侧顶端相抵接，两个第二超磁致伸缩棒的底端均与底座相抵接，第一超磁致伸缩棒的上侧设置有输出顶杆。

进一步的：所述冷却装置包括设置在壳体内部且位于永磁铁外侧的水冷机构，水冷机构包括水冷腔和与水冷腔相连通的进水口和出水口，进水口和出水口均设置在壳体的外壁上，冷却装置还包括设置在线圈骨架的空腔内部且位于两个第二超磁致伸缩棒外侧的相变温控筒，在相变温控筒的内部空腔中填充有相变材料，相变温控筒与线圈骨架相接触且为过盈配合。

进一步的：所述第一超磁致伸缩棒和第二超磁致伸缩棒的外表面均开设有六个涡流直槽，六个涡流直槽在第一超磁致伸缩棒和第二超磁致伸缩棒的外表面上沿周向均匀分布。

进一步的：所述预紧装置包括顶盖、预紧螺母、预紧弹簧，在壳体的顶端设有顶盖，顶盖上螺接有预紧螺母，在预紧螺母上开设有通孔，输出顶杆穿过预紧螺母上的通孔延伸至顶盖外侧，在输出顶杆位于壳体内部的一段外壁上套接有预紧弹簧。

进一步的：所述定位装置包括调节螺栓，调节螺栓的顶端延伸至壳体内部并与u形筒的封闭段固定连接。

进一步的：所述壳体、底座、线圈骨架、降低底座、线圈骨架、u形筒和输出顶杆均为导磁材料。

进一步的：所述检测装置包括支撑底座和支架，支撑底座和支架之间通过螺栓进行连接，在支架上设置有用于进行位移检测的位移传感器和用于进行压力检测的压力传感器，超磁致伸缩驱动器通过输出顶杆分别与位移传感器和压力传感器相连接，位移传感器和压力传感器均与信号放大装置连接，信号放大装置连接信号采集装置，信号采集装置与计算机连接，当输出顶杆产生位移和力的输出时，位移传感器和压力传感器产生的电压变化经信号放大装置放大后传入信号采集装置，信号采集装置将数据传入计算机，用于快速准确的进行测试和数据的后续处理分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用水冷机构和相变材料组合进行温控，用水冷机构在线圈外侧进行降温，防止外壳的侧面受热变形，用相变材料在线圈内侧进行降温，抑制超磁致伸缩棒的温升变形，提高了超磁致伸缩驱动器的输出精度，保证长时间的稳定工作；

且体积小、重量轻、输出位移大、输出力大，预压力和偏执磁场可调，能保证超磁致伸缩棒在最佳状态工作，输出位移及输出力线性好、响应速度快、控制精度高；

在超磁致伸缩棒表面开设的涡流槽能够抑制磁致伸缩棒的温升，进一步提高输出位移的控制精度；

同时利用传感器、信号放大装置和计算机构成测试系统对驱动器的驱动性能进行检测，测试时间短，测试效率和测试精度高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中检测装置工作的结构示意图。

图3为本发明中第一超磁致伸缩棒和第二超磁致伸缩棒的结构示意图。

图4为本发明中第一超磁致伸缩棒和第二超磁致伸缩棒的侧视结构示意图。

图中：1-壳体、2-底座、3-线圈骨架、4-驱动线圈、5-偏置线圈、6-隔热板、7-永磁铁、8-第一超磁致伸缩棒、9-u形筒、10-第二超磁致伸缩棒、11-输出顶杆、12-顶盖、13-预紧螺母、14-预紧弹簧、15-水冷机构、16-水冷腔、17-进水口、18-出水口、19-相变温控筒、20-相变材料、21-顶调节螺栓、22-涡流直槽、23-支撑底座、24-支架、25-位移传感器、26-压力传感器、27-信号放大装置、28-信号采集装置、29-计算机。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，以下实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

实施例1

请参阅图1，一种超磁致伸缩驱动器，包括壳体1和设置在壳体1底部的底座2，所述壳体1内部设有磁场产生装置、冷却装置、预紧装置和定位装置；

所述磁场产生装置包括设置在壳体1内部下侧的线圈骨架3和设置在线圈骨架3外侧的永磁铁7，在线圈骨架3的外侧绕接有驱动线圈4，在驱动线圈4的外侧绕接有偏置线圈5，在线圈骨架3的内部与驱动线圈4、偏置线圈5的接触处设有隔热板6，在线圈骨架3中间的设有空腔且在空腔内部安装有u形筒9，在u形筒9的开口端内部放置有第一超磁致伸缩棒8，在u形筒9的外侧且在线圈骨架3的空腔内部左右对称放置有两个第二超磁致伸缩棒10，两个第二超磁致伸缩棒10的顶端均与u形筒9的外侧顶端相抵接，两个第二超磁致伸缩棒10的底端均与底座2相抵接，第一超磁致伸缩棒8的上侧设置有输出顶杆11；

使用超磁致伸缩驱动器时，将驱动线圈4通电，驱动线圈产生的磁场使第一超磁致伸缩棒8产生长度变化，第一超磁致伸缩棒8带动输出顶杆11进行伸缩运动从而实现驱动工作；

设置有偏置线圈5，偏置线圈5产生的偏置磁场能使超磁致伸缩棒产生一个具有一定强度的极化磁场，不仅可以使棒伸缩应变处于较宽的线性范围内同时还能有效的防止棒倍频现象的发生，由于设置有第二超磁致伸缩棒10，第二超磁致伸缩棒10发生长度变化时带动u形筒进行上下运动，第二超磁致伸缩棒10能通过u形套筒10把输出的力和位移传递给第一超磁致伸缩棒8，从而主超磁致伸缩棒8能够输出两倍的力和位移，提高了超磁致伸缩驱动器的输出位移和输出力。

所述冷却装置包括设置在壳体1内部且位于永磁铁7外侧的水冷机构15，水冷机构15包括水冷腔16和与水冷腔16相连通的进水口17和出水口18，进水口17和出水口18均设置在壳体1的外壁上，冷却装置还包括设置在线圈骨架3的空腔内部且位于两个第二超磁致伸缩棒10外侧的相变温控筒19，在相变温控筒19的内部空腔中填充有相变材料20，相变温控筒19与线圈骨架3相接触且为过盈配合；

采用水冷机构和相变材料组合进行温控，用水冷机构在线圈外侧进行降温，防止外壳的侧面受热变形，用相变材料在线圈内侧进行降温，抑制超磁致伸缩棒的温升变形，由于相变材料无需循环管路，使得超磁致伸缩驱动器的结构变得简单，且相变材料相变时会吸收大量热量，降温效果好，从而保证了超磁致伸缩驱动器的输出精度始终处在较佳的水平；另外在在线圈骨架3的内部与驱动线圈4、偏置线圈5的接触处设有隔热板6，在整体上对超磁致伸缩驱动器进行温升抑制，不会造成外壳的上、下部分受热变形，从而提高超磁致伸缩驱动器的位移控制精度；

在驱动器工作过程中，线圈散发的热量向内传递的过程中，先经过相变温控筒，相变材料20吸收热量，当达到熔点时，开始熔化，吸收并储存与熔化潜热相当的热量，同时介面温度保持在熔点不变，从而使超磁致伸缩棒的温升受到抑制，当伸缩驱动器线圈断电时，液态相变材料开始释放潜热并自行凝固，超磁致伸缩棒的温度仍维持不变，当相变材料20全部凝固后，磁致伸缩棒的温度逐渐回复到环境温度，从而维持超磁致伸缩棒恒定的工作温度，水冷机构为循环水冷却机构，能够对线圈的外侧进行降温，从而能够有效防止外壳1的侧面受热变形。

所述预紧装置包括顶盖12、预紧螺母13、预紧弹簧14，在壳体1的顶端设有顶盖12，顶盖12上螺接有预紧螺母13，在预紧螺母13上开设有通孔，输出顶杆11穿过预紧螺母13上的通孔延伸至顶盖12外侧，在输出顶杆11位于壳体1内部的一段外壁上套接有预紧弹簧13；

预紧装置包括顶盖12、预紧螺母13、预紧弹簧14，通过调节预紧螺母13的位置和预紧弹簧14的弹性大小能够调节预紧力的大小，调节合适的预紧力能够使得超磁致伸缩的能量转换效率总体处于较佳范围内。

所述定位装置包括调节螺栓21，调节螺栓21的顶端延伸至壳体1内部并与u形筒9的封闭段固定连接；

通过设置调节螺栓21，能够对u形筒9的位置进行固定，实现对u形筒9位置的调节，从而能够实现输出顶杆的位置调节，满足不同驱动位置的使用要求。

实施例2

请参阅图1-4，一种超磁致伸缩驱动器，包括壳体1和设置在壳体1底部的底座2，所述壳体1内部设有磁场产生装置、冷却装置和预紧装置和定位装置；

所述磁场产生装置包括设置在壳体1内部下侧的线圈骨架3和设置在线圈骨架3外侧的永磁铁7，在线圈骨架3的外侧绕接有驱动线圈4，在驱动线圈4的外侧绕接有偏置线圈5，在线圈骨架3的内部与驱动线圈4、偏置线圈5的接触处设有隔热板6，在线圈骨架3中间的设有空腔且在空腔内部安装有u形筒9，在u形筒9的开口端内部放置有第一超磁致伸缩棒8，在u形筒9的外侧且在线圈骨架3的空腔内部左右对称放置有两个第二超磁致伸缩棒10，两个第二超磁致伸缩棒10的顶端均与u形筒9的外侧顶端相抵接，两个第二超磁致伸缩棒10的底端均与底座2相抵接，第一超磁致伸缩棒8的上侧设置有输出顶杆11；

使用超磁致伸缩驱动器时，将驱动线圈4通电，驱动线圈产生的磁场使第一超磁致伸缩棒8产生长度变化，第一超磁致伸缩棒8带动输出顶杆11进行伸缩运动从而实现驱动工作；

设置有偏置线圈5，偏置线圈5产生的偏置磁场能使超磁致伸缩棒产生一个具有一定强度的极化磁场，不仅可以使棒伸缩应变处于较宽的线性范围内同时还能有效的防止棒倍频现象的发生，由于设置有第二超磁致伸缩棒10，第二超磁致伸缩棒10发生长度变化时带动u形筒进行上下运动，第二超磁致伸缩棒10能通过u形套筒10把输出的力和位移传递给第一超磁致伸缩棒8，从而主超磁致伸缩棒8能够输出两倍的力和位移，提高了超磁致伸缩驱动器的输出位移和输出力。

所述冷却装置包括设置在壳体1内部且位于永磁铁7外侧的水冷机构15，水冷机构15包括水冷腔16和与水冷腔16相连通的进水口17和出水口18，进水口17和出水口18均设置在壳体1的外壁上，冷却装置还包括设置在线圈骨架3的空腔内部且位于两个第二超磁致伸缩棒10外侧的相变温控筒19，在相变温控筒19的内部空腔中填充有相变材料20，相变温控筒19与线圈骨架3相接触且为过盈配合；

采用水冷机构和相变材料组合进行温控，用水冷机构在线圈外侧进行降温，防止外壳的侧面受热变形，用相变材料在线圈内侧进行降温，抑制超磁致伸缩棒的温升变形，由于相变材料无需循环管路，使得超磁致伸缩驱动器的结构变得简单，且相变材料相变时会吸收大量热量，降温效果好，从而保证了超磁致伸缩驱动器的输出精度始终处在较佳的水平；另外在在线圈骨架3的内部与驱动线圈4、偏置线圈5的接触处设有隔热板6，在整体上对超磁致伸缩驱动器进行温升抑制，不会造成外壳的上、下部分受热变形，从而提高超磁致伸缩驱动器的位移控制精度；

在驱动器工作过程中，线圈散发的热量向内传递的过程中，先经过相变温控筒，相变材料20吸收热量，当达到熔点时，开始熔化，吸收并储存与熔化潜热相当的热量，同时介面温度保持在熔点不变，从而使超磁致伸缩棒的温升受到抑制，当伸缩驱动器线圈断电时，液态相变材料开始释放潜热并自行凝固，超磁致伸缩棒的温度仍维持不变，当相变材料20全部凝固后，磁致伸缩棒的温度逐渐回复到环境温度，从而维持超磁致伸缩棒恒定的工作温度，水冷机构为循环水冷却机构，能够对线圈的外侧进行降温，从而能够有效防止外壳1的侧面受热变形。

为了进一步的降低温度对超磁致伸缩棒的影响，在第一超磁致伸缩棒8和第二超磁致伸缩棒10的外表面均开设有六个涡流直槽22，六个涡流直槽22在第一超磁致伸缩棒8和第二超磁致伸缩棒10的外表面上沿周向均匀分布；

在第一超磁致伸缩棒8和第二超磁致伸缩棒10的外表面开设涡流直槽22，涡流直槽22扩大了超磁致伸缩棒的散热面积，减小了超磁致伸缩棒与u形筒的接触面积，从而有利于提高散热量和减少摩擦发热，另外由于超磁致伸缩棒的涡流效应主要集中在表层，开涡流槽可以减小涡流损耗，而且开涡流槽后增加了超磁致伸缩棒表面自由旋转晶体和磁畴的数目，能减小晶体和磁畴间的相互挤压，减小磁矩转动的阻碍，能有效减小磁滞损耗。

所述预紧装置包括顶盖12、预紧螺母13、预紧弹簧14，在壳体1的顶端设有顶盖12，顶盖12上螺接有预紧螺母13，在预紧螺母13上开设有通孔，输出顶杆11穿过预紧螺母13上的通孔延伸至顶盖12外侧，在输出顶杆11位于壳体1内部的一段外壁上套接有预紧弹簧13；

预紧装置包括顶盖12、预紧螺母13、预紧弹簧14，通过调节预紧螺母13的位置和预紧弹簧14的弹性大小能够调节预紧力的大小，调节合适的预紧力能够使得超磁致伸缩的能量转换效率总体处于较佳范围内。

所述定位装置包括调节螺栓21，调节螺栓21的顶端延伸至壳体1内部并与u形筒9的封闭段固定连接；

通过设置调节螺栓21，能够对u形筒9的位置进行固定，实现对u形筒9位置的调节，从而能够实现输出顶杆的位置调节，满足不同驱动位置的使用要求。

为有效的降低超磁致伸缩驱动器的漏磁现象，所述壳体1、底座2、线圈骨架3、降低底座2、线圈骨架3、u形筒9和输出顶杆11均为导磁材料，将壳体1、底座2、线圈骨架3、降低底座2、线圈骨架3、u形筒9和输出顶杆11采用导磁材料制成，其和第一超磁致伸缩棒8和第二超磁致伸缩棒10形成闭合磁路，闭合的磁路不仅能很好的降低漏磁，还可以防止与外界的仪器发生干扰。

还包括有用于对超磁致伸缩驱动器进行性能检测的检测装置，检测装置包括支撑底座23和支架24，支撑底座23和支架24之间通过螺栓进行连接，在支架24上设置有用于进行位移检测的位移传感器25和用于进行压力检测的压力传感器26，超磁致伸缩驱动器通过输出顶杆11分别与位移传感器25和压力传感器26相连接，位移传感器25和压力传感器26均与信号放大装置27连接，信号放大装置27连接信号采集装置28，信号采集装置28与计算机连接，当输出顶杆11产生位移和力的输出时，位移传感器25和压力传感器26产生的电压变化经信号放大装置27放大后传入信号采集装置28，信号采集装置28将数据传入计算机29，用于快速准确的进行测试和数据的后续处理分析；

由超磁致伸缩驱动器、位移传感器25、压力传感器26、信号放大装置27、信号采集装置28和计算机29共同组成测试系统，超磁致伸缩驱动器通过输出顶杆11与传感器连接，产生位移和力的输出时，传感器产生的电压变化经放大器放大后传入采集卡传输到信号采集装置，进而再将数据传入计算机，能快速准确的对超磁致伸缩驱动器的性能进行测试，同时方便数据的后续处理分析，缩短测试时间，提高测试效率，测试精度高。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。