一种超磁致伸缩马达的制作方法

本发明实施例涉及电机技术领域，具体涉及一种超磁致伸缩马达。

背景技术：

超磁致伸缩材料具有输出力大的优点，每平方厘米材料可以产生1700牛顿力。然而，现有超磁致伸缩致动器一般都是小位移往复运动的致动器，位移量一般不超过几百微米，位移量小，可应用范围受到限制。

为了扩大超磁致伸缩致动器的位移范围，以前的研究开发了一种超磁致伸缩蠕动直线电机，该电机中超磁致伸缩棒外部与一长筒紧密连接，磁场从超磁致伸缩材料一端逐步转移到另一端的过程中被磁化的超磁致伸缩材料变细伸长，磁场消失后这部分磁致伸缩材料变粗并紧密固定在筒子上，这样一个周期可以实现一次超磁致伸缩材料的一次微小位移，通过对超磁致伸缩材料从一端到另一端的多次磁化就可以实现位移的累计，即可以实现大位移，但是位移的距离和输出力的大小都是有限的。但是，这种超磁致伸缩蠕动直线电机目前仍处于研究开发阶段，并没有形成实际应用，而且，目前的超磁致伸缩蠕动直线电机存在的问题是：(1)超磁致伸缩材料的直径方向收缩很小，这样在超磁致伸缩与外桶关闭的配合方面就对超磁致伸缩材料的尺寸和外筒壁尺寸方面加工精度要求极其严格，这对于加工提出了苛刻的要求，特别是如果要求有更大位移时，外桶长度更长，这种对加工的要求很难满足；(2)超磁致伸缩材料和外筒壁之间靠静摩擦固定，长期工作容易使硬脆的超磁致伸缩材料损坏；(3)输出力受到超磁致伸缩材料和外筒壁之间静摩擦力的限制，因而不能产生更大的输出力；(4)受到加工精度等限制不可能制作出太大位移量的致动器，更无法制作无线行程的大输出力致动器。

技术实现要素：

为此，本发明实施例提供一种超磁致伸缩马达，以解决现有技术中超磁致伸缩致动器的位移量小的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

本发明实施例提供一种超磁致伸缩马达，其包括制动器本体、旋转轴和推杆；

所述制动器本体包括壳体、第一超磁致材料棒和a线圈，所述第一超磁致材料棒和a线圈均设置于所述壳体的内部，且第一超磁致材料棒穿设于所述a线圈中，在交变磁场作用下，所述第一超磁致材料棒发生反复伸长与缩短；

所述推杆的一端与所述第一超磁致材料棒铰接，另一端与所述旋转轴连接；

所述推杆锁紧所述旋转轴，所述第一超磁致材料棒伸长并推动所述推杆移动，所述推杆带动所述旋转轴旋转；

所述推杆松开所述旋转轴，所述第一超磁致材料棒缩短并带动所述推杆复位，所述旋转轴静止；

如此往复，所述制动器本体带动所述旋转轴持续旋转。

优选地，所述超磁致伸缩马达还包括第一铰链、第二铰链和铰链杠杆，所述铰链杠杆的一端与推杆铰接，所述铰链杠杠的另一端通过所述第一铰链与所述壳体铰接，所述第二铰链位于所述推杆与所述第一铰链之间并靠近所述第一铰链，所述铰链杠杆通过所述第二铰链与所述第一超磁致材料棒铰接。

优选地，所述制动器本体还包括第一蝶形弹簧和第一施压螺钉；所述第一施压螺钉安装于第一超磁致材料棒远离所述铰链杠杆的一端，所述第一超磁致材料棒靠近所述铰链杠杆的一端安装所述第一蝶形弹簧，所述第一施压螺钉对所述第一超磁致材料棒试压并使得第一蝶形弹簧处于压缩状态。

优选地，所述超磁致伸缩马达还包括第一锁紧装置；所述推杆通过所述第一锁紧装置锁紧或松开旋转轴。

优选地，所述第一锁紧装置为单向轴承，所述旋转轴固定于所述单向轴承的内环，所述推杆固定于所述单向轴承的外环；

所述推杆移动时，所述推杆通过所述单向轴承锁紧所述旋转轴旋转；

所述推杆反向移动时，所述推杆带动所述单向轴承旋转，且所述单向轴承松开所述旋转轴。

优选地，所述第一锁紧装置包括第一半圆导体、第二半圆导体和b线圈，且所述第一半圆导体和第二半圆导体均固定于所述推杆；

所述第一半圆导体和第二半圆导体相对设置于所述旋转轴的外侧，并在所述第一半圆导体和第二半圆导体之间均形成有间隙；所述第一半圆导体和第二半圆导体的外侧均套设有b线圈；

所述b线圈中通过电流时，所述第一半圆导体和第二半圆导体相互吸引并锁紧旋转轴；所述b线圈中未通过电流时，所述第一半圆导体和第二半圆导体放开所述旋转轴。

优选地，所述第一锁紧装置包括第二超磁致材料棒、c线圈、第二加压螺钉、a轴承、第二蝶形弹簧和输出杆；

所述a轴承的内环固定于所述旋转轴，所述a轴承的外环固定所述推杆；

所述推杆靠近所述旋转轴的一端内部设置有第二超磁致材料棒，且所述第二超磁致材料棒的外侧套设有c线圈；

所述第二超磁致材料棒的一端安装所述第二加压螺钉，所述第二超磁致材料棒的另一端固定所述输出杆，所述输出杆靠近所述第二超磁致材料棒的一端套设第二蝶形弹簧；所述第二加压螺钉对所述第二超磁致材料棒施压，且所述第二蝶形弹簧处于压缩状态；

所述输出轴与所述旋转轴之间设置有间隙，所述推杆松开所述旋转轴；

c线圈中通电时，所述第二超磁致材料棒伸长使得所述输出杆抵压所述旋转轴，所述推杆锁紧所述旋转轴。

优选地，所述超磁致伸缩马达还包括锁紧臂和马达外壳，所述旋转轴设置于所述马达外壳内并伸出所述马达外壳，所述锁紧臂的一端固定于所述马达外壳，另一端通过单向轴承锁紧或松开所述旋转轴。

优选地，所述超磁致伸缩马达还包括锁紧臂和马达外壳，所述旋转轴设置于所述马达外壳内并伸出所述马达外壳，所述锁紧臂的一端固定于所述马达外壳，另一端通过第一锁紧装置锁紧或松开所述旋转轴；

所述第一锁紧装置包括第一半圆导体、第二半圆导体和b线圈，且所述第一半圆导体和第二半圆导体均固定于所述锁紧臂；

所述第一半圆导体和第二半圆导体相对设置于所述旋转轴的外侧，并在所述第一半圆导体和第二半圆导体之间均形成有间隙；所述第一半圆导体和第二半圆导体的外侧均套设有b线圈；

所述b线圈中通过电流时，所述第一半圆导体和第二半圆导体相互吸引并锁紧旋转轴；所述b线圈中未通过电流时，所述第一半圆导体和第二半圆导体放开所述旋转轴。

优选地，所述超磁致伸缩马达还包括锁紧臂和马达外壳，所述旋转轴设置于所述马达外壳内并伸出所述马达外壳，所述锁紧臂的一端固定于所述马达外壳，另一端通过第一锁紧装置锁紧或松开所述旋转轴；

所述第一锁紧装置包括第二超磁致材料棒、c线圈、第二加压螺钉、a轴承、第二蝶形弹簧和输出杆；

所述a轴承的内环固定于所述旋转轴，所述a轴承的外环固定所述锁紧臂；

所述锁紧臂靠近所述旋转轴的一端内部设置有第二超磁致材料棒，且所述第二超磁致材料棒的外侧套设有c线圈；

所述第二超磁致材料棒的一端安装所述第二加压螺钉，所述第二超磁致材料棒的另一端固定所述输出杆，所述输出杆靠近所述第二超磁致材料棒的一端套设第二蝶形弹簧；所述第二加压螺钉对所述第二超磁致材料棒施压，且所述第二蝶形弹簧处于压缩状态；

所述输出轴与所述旋转轴之间设置有间隙，所述锁紧臂松开所述旋转轴；

c线圈中通电时，所述第二超磁致材料棒伸长使得所述输出杆抵压所述旋转轴，所述锁紧臂锁紧所述旋转轴。

本发明实施例具有如下优点：

本发明实施例提供的超磁致伸缩马达，其包括制动器本体、旋转轴和推杆。当推杆锁紧旋转轴，第一超磁致材料棒伸长并推动推杆移动，推杆带动旋转轴旋转；当推杆松开旋转轴，第一超磁致材料棒缩短并带动推杆复位，旋转轴静止；如此往复，制动器本体带动旋转轴持续旋转，从而实现超磁致材料的位移可无限积累，进而实现大位移、大输出力或大力矩的输出，不仅输出力和输出力矩大，而且控制精度高，有效地扩展了超磁致材料的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。

图1为本发明实施例1提供的一种超磁致伸缩马达的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种超磁致伸缩马达的立体结构示意图；

图3为本发明实施例2提供的一种超磁致伸缩马达的结构示意图；

图4为本发明实施例3提供的一种超磁致伸缩马达的立体结构示意图；

图5为本发明实施例3提供的一种超磁致伸缩马达的俯视图；

图6为本发明实施例3提供的一种超磁致伸缩马达的使用状态参考图；

图7为本发明实施例3提供的一种超磁致伸缩马达的第一锁紧装置的结构示意图；

图8为本发明实施例3提供的一种超磁致伸缩马达的第一锁紧装置的另一种结构示意图；

图中：1、制动器本体；11、壳体；12、第一超磁致材料棒；13、a线圈；14、第一蝶形弹簧；15、第一施压螺钉；2、旋转轴；3、推杆；4、第一铰链；5、第二铰链；6、铰链杠杆；7、第一锁紧装置；711、第一半圆导体；712、第二半圆导体；713、b线圈；721、第二超磁致材料棒；722、c线圈；723、第二加压螺钉；724、a轴承；725、第二蝶形弹簧；726、输出杆；8、锁紧臂；9、马达外壳；10、柔性杆。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种超磁致伸缩马达，其包括制动器本体1、旋转轴2和推杆3。

具体地，制动器本体1包括壳体11、第一超磁致材料棒12和a线圈13，第一超磁致材料棒12和a线圈13均设置于壳体11的内部，且第一超磁致材料棒12穿设于a线圈13中，在交变磁场作用下，第一超磁致材料棒12发生反复伸长与缩短；推杆3的一端与第一超磁致材料棒12铰接，另一端与旋转轴2连接。推杆3与旋转轴2之间有两种状态，即推杆3锁紧旋转轴2或推杆3松开旋转轴2。需要说明的是，制动器本体1的作用即推动推杆3带动旋转轴2旋转，或者制动器本体1带动推杆3复位。

在本实施例中，当推杆3锁紧旋转轴2，第一超磁致材料棒12伸长并推动推杆3移动，推杆3带动旋转轴2旋转；当推杆3松开旋转轴2，第一超磁致材料棒12缩短并带动推杆3复位，旋转轴2静止；如此往复，制动器本体1带动旋转轴2持续旋转，即制动器本体1带动旋转轴2持续旋转，从而实现超磁致材料的位移可无限积累，进而实现大位移、大输出力或大力矩的输出。

优选地，制动器本体1还包括第一蝶形弹簧14和第一施压螺钉15；第一施压螺钉15安装于第一超磁致材料棒12远离铰链杠杆6的一端，第一超磁致材料棒12靠近铰链杠杆6的一端安装第一蝶形弹簧14，第一施压螺钉15对第一超磁致材料棒12试压并使得第一蝶形弹簧14处于压缩状态，这使得制动器推动推杆3移动的距离更加精确。

进一步优选地，超磁致伸缩马达还包括第一锁紧装置7；推杆3通过第一锁紧装置7锁紧或松开旋转轴2，这使得推杆3锁紧或松开旋转轴2的操作更加简单。

需要说明的是，第一锁紧装置7有多种结构可以实现推杆3对旋转轴2的锁紧和松开。

1、第一锁紧装置7为单向轴承，旋转轴2固定于单向轴承的内环，推杆3固定于单向轴承的外环。

当推杆3移动时，推杆3通过单向轴承锁紧旋转轴2旋转。

当推杆3反向移动时，推杆3带动单向轴承旋转，且单向轴承松开旋转轴2。

需要说明的是，市售的各种单向轴承具有单方向锁死功能，即当推动单向轴承向一个方向可以自由旋转时，就不能推动该轴承向另一个方向旋转。当第一锁紧装置7采用单向轴承时，而且该单向轴承允许反方向自由旋转，那么当单向轴承正向旋转时，单向轴承与旋转轴2之间就是锁死的状态，即当磁致伸缩致动器产生推力推动单向轴承3正向旋转时，将带动光轴旋转并可对外做功；而制动器本体1收缩时，单向轴承相对于旋转轴2处于松开的状态，所以单向轴承和推杆3被拉回初始位置，但是旋转轴2不能被拉回初始位置。当然，我们清楚要使单向轴承达到旋转锁死的状态需要足够大的位移，如果位移太小则单向轴承达不到锁死的间隙要求，单向轴承并不能被锁死。每一种单向轴承对达到锁死的间隙要求不同，可以选则间隙小的单向轴承，也可以在设计超磁致伸缩致动器时设计足够大的位移或通过位移放大机构来实现大位移，以满足单向轴承锁死间隙的要求。

2、参考图8，第一锁紧装置7包括第一半圆导体711、第二半圆导体712和b线圈713，且第一半圆导体711和第二半圆导体712均固定于推杆3。

其中，第一半圆导体711和第二半圆导体712相对设置于旋转轴2的外侧，并在第一半圆导体711和第二半圆导体712之间均形成有间隙；第一半圆导体711和第二半圆导体712的外侧均套设有b线圈713。

当b线圈713中通过电流时，第一半圆导体711和第二半圆导体712相互吸引并锁紧旋转轴2；b线圈713中未通过电流时，第一半圆导体711和第二半圆导体712放开旋转轴2。

3、参考7所示，第一锁紧装置7包括第二超磁致材料棒721、c线圈722、第二加压螺钉723、a轴承724、第二蝶形弹簧725和输出杆726。

其中，a轴承724的内环固定于旋转轴2，a轴承724的外环固定推杆3；推杆3靠近旋转轴2的一端内部设置有第二超磁致材料棒721，且第二超磁致材料棒721的外侧套设有c线圈722；第二超磁致材料棒721的一端安装第二加压螺钉723，第二超磁致材料棒721的另一端固定输出杆726，输出杆726靠近第二超磁致材料棒721的一端套设第二蝶形弹簧725；第二加压螺钉723对第二超磁致材料棒721施压，且第二蝶形弹簧725处于压缩状态。

当c线圈722未通电时，输出轴与旋转轴2之间设置有间隙，推杆3松开旋转轴2。

c线圈722中通电时，第二超磁致材料棒721伸长使得输出杆726抵压旋转轴2，推杆3锁紧旋转轴2。

需要说明的是，图7和图8表示的是锁紧臂8通过第一锁紧装置7对旋转轴2抱紧或松开的结构示意图，推杆3通过第一锁紧装置7对旋转轴2抱紧或松开的结构与锁紧臂8相同，参考图7和图8即可。

如上第一锁紧装置7的三种结构均可以实现推杆3锁紧或松开旋转轴2，而且操作比较方便。

本实施例提供的超磁致伸缩马达，制动器本体1带动旋转轴2持续旋转，从而实现超磁致材料的位移可无限积累，进而实现大位移、大输出力或大力矩的输出，不仅输出力和输出力矩大，而且控制精度高，有效地扩展了超磁致材料的应用。

实施例2

本实施例提供另一种超磁致伸缩马达，其与实施例1相同的部分在此不再赘述，下面仅对不同部分进行介绍。

如图3所示，该超磁致伸缩马达还包括第一铰链4、第二铰链5和铰链杠杆6，铰链杠杆6的一端与推杆3铰接，铰链杠杠的另一端通过第一铰链4与壳体11铰接，第二铰链5位于推杆3与第一铰链4之间并靠近第一铰链4，铰链杠杆6通过第二铰链5与第一超磁致材料棒12铰接。

在实际设计中，图3中的制动器本体1、推杆3也可以设计成带位移放大的机构，特别当采用单向轴承作为第一锁紧装置7时，需要较大位移才能满足单向轴承锁死间隙的要求。目前对于微小位移的放大一般采用带柔性铰链的杠杆放大机构、弓形放大机构、角度放大机构等，均可以被采用来实现位移的放大。

本实施例中，第一超磁致材料棒12的尺寸为ф10x100毫米，杠杆的放大倍数为3.5倍，杠杆输出位置距离旋转轴2的轴心的距离为5厘米。当制动器本体1的工作频率为50赫兹时，旋转轴2的正向旋转的转速为3.3转/分钟，最大输出力矩为1430ncm。

本实施例提供的超磁致伸缩马达，制动器本体1带动旋转轴2持续旋转，从而实现超磁致材料的位移可无限积累，进而实现大位移、大输出力或大力矩的输出，不仅输出力和输出力矩大，而且控制精度高，有效地扩展了超磁致材料的应用。

实施例3

本实施例提供另一种超磁致伸缩马达，其与实施例1相同的部分在此不再赘述，下面仅对不同部分进行介绍。

如图5和图6所示，第一超磁致材料棒12也通过柔性杆10与推杆3铰接，柔性杆10和推杆3之间的角度为90度。制动器本体1产生的直线位移通过柔性杆10件推动推杆3产生围绕旋转轴2的中心轴的微小转动，并带动旋转轴2产生微小的转动；推杆3松开旋转轴2时，推杆3的旋转不能带动旋转轴2转动产生输出扭矩。

如图4、图5和图6所示，超磁致伸缩马达还包括锁紧臂8和马达外壳9，旋转轴2设置于马达外壳9内并伸出马达外壳9，锁紧臂8的一端固定于马达外壳9，另一端通过第一锁紧装置7锁紧或松开旋转轴2。

需要说明的是，第一锁紧装置7锁紧或松开旋转轴2的方式也有很多种，在此仅介绍如下三种。

第一种方式，锁紧臂8通过单向轴承锁紧或松开旋转轴2。

第二种方式，如图8所示，第一锁紧装置7包括第一半圆导体711、第二半圆导体712和b线圈713，且第一半圆导体711和第二半圆导体712均固定于锁紧臂8；第一半圆导体711和第二半圆导体712相对设置于旋转轴2的外侧，并在第一半圆导体711和第二半圆导体712之间均形成有间隙；第一半圆导体711和第二半圆导体712的外侧均套设有b线圈713。

当b线圈713中通过电流时，第一半圆导体711和第二半圆导体712相互吸引并锁紧旋转轴2；b线圈713中未通过电流时，第一半圆导体711和第二半圆导体712放开旋转轴2。

需要说明的是，初始状态下，b线圈713中没有电流通过，旋转轴2可以围绕中心轴自由转动，锁紧臂8也可以围绕中心轴自由转动。当b线圈713中通过电流时，左边的第一半圆导体711和右边的第二半圆导体712通过两者之间的间隙互相吸引，从而导致旋转轴2被抱死。此时，围绕中心轴推动锁紧臂8旋转时将带动旋转轴2旋转。但是锁紧臂8固定于马达外壳9，则旋转轴2、锁紧臂8、第一锁紧装置7与马达外壳9均被锁死，旋转轴2不能转动。

第三种方式，如图7所示，第一锁紧装置7包括第二超磁致材料棒721、c线圈722、第二加压螺钉723、a轴承724、第二蝶形弹簧725和输出杆726；a轴承724的内环固定于旋转轴2，a轴承724的外环固定锁紧臂8；锁紧臂8靠近旋转轴2的一端内部设置有第二超磁致材料棒721，且第二超磁致材料棒721的外侧套设有c线圈722；第二超磁致材料棒721的一端安装第二加压螺钉723，第二超磁致材料棒721的另一端固定输出杆726，输出杆726靠近第二超磁致材料棒721的一端套设第二蝶形弹簧725；第二加压螺钉723对第二超磁致材料棒721施压，且第二蝶形弹簧725处于压缩状态。因为输出轴与旋转轴2之间设置有间隙，锁紧臂8松开旋转轴2；当c线圈722中通电时，第二超磁致材料棒721伸长使得输出杆726抵压旋转轴2，锁紧臂8锁紧旋转轴2。

需要说明的是，通过第二加压螺钉723给第二超磁致材料棒721施加合适的预应力，并使第二蝶形弹簧725被压缩，但是此时输出杆726与旋转轴2并不接触，即旋转轴2处于松开的状态。当c线圈722中通过电流时，第二超磁致材料棒721伸长，推动输出杆726与旋转轴2压紧，即锁紧臂8与旋转轴2为锁紧状态，如果围绕旋转轴2的中心轴推动锁紧臂8，则会使旋转轴2跟随转动；但是，因为锁紧臂8与马达外壳9固定连接，那么就会使马达外壳9和锁紧臂8、第一锁紧装置7和旋转轴2均被锁死，此时旋转轴2不能转动。

本实施例提供的超磁致伸缩马达的工作原理如下：

步骤1、锁紧臂8松开旋转轴2，推杆3处于初始角度位置；推杆3锁紧旋转轴2，制动器本体1产生位移或力推动推杆3带动旋转轴2产生一个微小角度的正向旋转并对外带动负载做功；

步骤2、锁紧臂8锁紧旋转轴2，此时旋转轴2将不能转动；然后，推杆3松开旋转轴2，超磁致伸缩致动器产生反向位移或力，将第一锁紧装置7和推杆3拉回初始角度位置。此时，由于旋转轴2被锁紧臂8锁紧，所以旋转轴2并不跟随推杆3的旋转而复位。

步骤3、不断重复上述步骤1和步骤2，旋转轴2将连续不断地围绕旋转轴2的中心轴进行旋转运动，并可以通过旋转轴2带动外部负载旋转运动并对外做功。

需要说明的是，由图5和图6所示，经过步骤1和2一次循环，图5的推杆3的中心轴的初始位置旋转到图6的位置，假设柔性杆10距离旋转轴2的中心轴的距离为r，制动器本体1每次产生的位移为δl，产生的输出力为f，则制动器本体1如果工作频率为f，则马达的转速为60f*δl/(2πr)(转/分钟)，输出力矩为fr。

在本实施例中，按照图5实施，其中，制动器本体1中的第一超磁致材料棒12以及第一锁紧装置7中的第二超磁致材料棒721所用的铽镝铁超磁致伸缩材料的尺寸均为直径20毫米，长度100毫米。第一蝶形弹簧14和第二蝶形弹簧725均施加约10mpa预应力。柔性杆10距离旋转轴2的中心轴的距离为10厘米。当制动器本体1以50赫兹频率工作时，旋转轴2转速达到0.04转/分钟，最大输出力矩为40000ncm。

本实施例提供的超磁致伸缩马达，制动器本体1带动旋转轴2持续旋转，从而实现超磁致材料的位移可无限积累，进而实现大位移、大输出力或大力矩的输出，不仅输出力和输出力矩大，而且控制精度高，有效地扩展了超磁致材料的应用。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。