一种基于魏德曼效应的磁致伸缩精密旋转电机的制作方法

[0001]
本实用新型属于电机技术领域，具体是一种基于魏德曼效应的磁致伸缩精密旋转电机。


背景技术：

[0002]
纳米技术的不断发展，航空航天、机器人、超精密机械制造、生物学等技术领域对于性能稳定、结构简单的驱动器的需求也在不断增加。虽然以压电材料为驱动源的旋转电机具有响应速度快、形变精度高等特点，但是其载能力和转动速度等不够理想。
[0003]
以超磁致伸缩材料tenfenol-d为驱动源制作的旋转电机，虽然具有响应速度快、负载强、应变大等优势，但其缺点也很明显，饱和磁场大、机械性能差、成本高，限制了其应用。
[0004]
galfenol材料与tenfenol-d材料相比，具有响应速度快、饱和磁场较小、负载能力较强、机械性能优良、成本低等优点，日益受到人们的关注，是制作旋转电机的理想材料。
[0005]
美国专利us5079460、us546015和us5341056中设计的超磁致伸缩旋转电机，虽然能够提供较大的力矩和精确定位，但这些设计结构复杂。利用多块超磁致伸缩材料，导致其成本太高。多路信号驱动超磁致伸缩材料，使其驱动电路复杂。
[0006]
中国专利cn102013834a、cn102005967a和cn102005966a利用压电材料，制作的旋转电机可以实现双向旋转，这些电机需要两套压电片及驱动信号，配合设计空间上的相位差实现其运动，但是由于压电材料的电路驱动电压偏高。且其输出力矩偏小，限制了其应用范围。专利cn102983778b设计了一种基于超磁致伸缩材料的旋转电机，通过施加有一定相位差的正弦激励限号，驱动4块超磁致伸缩材料，通过定子和转子之间产生摩擦，驱动转子旋转。其成本较高，需要4种不同的激励信号之间配合，且对加工工艺也有一定的要求，一定程度上限制了其应用范围。专利cn102857140b，设计了一种单驱双向旋转型超磁致伸缩旋转电机，虽然该旋转电机架构简单、易于微型化，但是该旋转电机需要较大的磁场驱动。
[0007]
在文献《椭圆驱动超磁致电动机设计》中描述了一种具有高出力、快响应的、可控性好的新型椭圆驱动超磁致电动机。通过控制两个超磁致致动器，在中间弹性圆环连接，构建一台微位移电动机。当两台电动机分别通入二相正交正弦电流是，定子和转子接触处产生椭圆模态运动。该旋转电机采用两个超磁致致动器成本较高、体积大，且结构复杂，限制了其大面积的推广使用。
[0008]
对上述现有技术中存在的问题：成本高、驱动力不足、输出力矩小、电路复杂等缺陷，研究桶状磁致伸缩材料galfenol驱动的旋转电机具有一定的意义。


技术实现要素：

[0009]
本实用新型的目的在于所要解决的问题是提供一种结构简单紧凑、负载能力强、转速快、稳定性强、成本低的基于魏德曼效应的磁致伸缩精密旋转电机。
[0010]
本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案：利用桶状磁致伸缩材料
galfenol的磁致伸缩效应和魏德曼效应驱动摩擦球，依靠摩擦半球和转子之间的摩擦力驱动转子旋转。
[0011]
具体技术方案如下：一种基于魏德曼效应的磁致伸缩精密旋转电机，该电机包括预紧塞、转子、径向驱动器、轴向驱动器、桶状永磁体、壳体、摩擦半球、桶状磁致伸缩材料结构、蝶形弹簧和下端盖；
[0012]
摩擦半球的球体部分和转子球体部分紧密贴合，摩擦半球的平面部分固定在桶状磁致伸缩材料结构上，桶状永磁体放置在蝶形弹簧上，蝶形弹簧放置在下端盖上；
[0013]
轴向驱动器置于径向驱动器的外部，径向驱动器置于桶状磁致伸缩材料结构的外部；
[0014]
预紧塞和下端盖通过螺纹扭转进壳体中，转子的直杆置于预紧塞的旋转轴承中。
[0015]
进一步的，在预紧塞底部的旋转轴承，其底面和转子的球体表面相切。
[0016]
进一步的，桶状永磁体的n极，固定在桶状磁致伸缩材料结构上，s极则放置在蝶形弹簧上。
[0017]
进一步的，预紧塞由旋转轴承和圆柱构成；其中旋转轴承共有2个，内嵌于圆柱内，圆柱外表面有螺纹，并与壳体相互配合。
[0018]
进一步的，转子由直杆和球体构成；其中直杆内嵌且固定在球体中。
[0019]
进一步的，轴向驱动器包括：“工”字形空心圆柱式线圈架和轴向驱动线圈，轴向线驱动线圈紧密缠绕在线圈架上。
[0020]
进一步的，径向驱动器包括6个h型线圈架和径向驱动线圈，6个h型线圈架沿桶状磁致伸缩材料结构进行六边型排列，径向驱动线圈紧密缠绕在在h型线圈架上，每个h型线圈架上的径向驱动线圈进行串联。
[0021]
进一步的，下端盖由上凸柱、圆柱和把手构成；
[0022]
其中上凸柱放置在蝶形弹簧的空心中，固定轴向线圈架；圆柱的外表面有螺纹，和壳体相互配合，通过把手把下端盖旋进壳体中。
[0023]
其工作原理如下：
[0024]
轴向和径向驱动器的电流周期可以分为4个阶段。第一个阶段，轴向和径向驱动线圈均没有电流输入，此时，轴向磁场主要由桶状永磁体提供，轴向磁场下，桶状磁致伸缩材料结构向上产生微小形变，更易于摩擦半球和转子球体部分的贴合。径向磁场为0。第二阶段，径向和轴向驱动线圈均开始缓慢通入电流，随着电流逐渐达到最大值，轴向磁场和径向磁场也达到最大值。第三阶段，通入轴向驱动线圈的电流迅速减少至负值，径向驱动线圈的电流保持不变。此时，轴向磁场迅速减少至低于第一阶段的磁场，径向磁场则保持不变。第四阶段，通入轴向电流保持负值不变，径向电流的则迅速减少至0。此时，轴向磁场保持不变，径向磁场则迅速减少至0。
[0025]
当径向驱动器上缠绕线圈通入的电流后磁场为顺时时，桶状磁致伸缩材料结构在轴向和径向驱动器电流周期内的具体驱动过程如下：第一阶段，当轴向驱动器线圈和径向驱动器线圈均没有电流输入时，桶状磁致伸缩材料结构在桶状永磁体的轴向偏置磁场作用下，沿轴向向上伸长产生微小形变。第二阶段，径向和轴向驱动线圈均开始缓慢通入电流，随着电流逐渐达到最大值，轴向磁场和径向磁场也达到最大值。轴向和径向磁场的共同作用下，产生螺旋磁场。初始时，由于螺旋磁场小，导致摩擦半球和转子的球体部分产生的摩
擦力小，转子不会扭转。当轴向和径向电流达到最大时，摩擦半球和转子的球体部分产生最大静摩擦力，转子发生扭转，转子距原始位置转过了角度为θ，并保持不变。其中桶状磁致伸缩材料结构在伸长扭转的过程中，可以看成由2个的过程共同配合完成：1.轴向磁场下，桶状磁致伸缩材料结构受轴向磁场的驱动，沿轴向方向，向上伸长，当轴向磁场达到最大值时，伸长量也达到最大。摩擦半球和转子球体部分的贴合程度，随着磁场的增大也越来越紧密；2.轴向磁场和径向磁场的下，桶状磁致伸缩材料结构顺时针扭转，当轴向和径向磁场达到最大值时，转矩量达到最大值。第三阶段，通入轴向线圈的电流迅速减少至负值，径向线圈的电流保持不变。此时，桶状磁致伸缩材料结构沿轴向向下缩短，摩擦半球的球体部分和转子的球体部分的贴合程度减少。径向磁场保持不变，桶状磁致伸缩材料结构仍保持顺时针扭转。第四阶段，轴向驱动电流保持负值不变；径向驱动电流迅速减少至0。此时，轴向的磁场保持不变，径向磁场则迅速减少至0。桶状磁致伸缩材料结构轴向的伸长量和第三阶段的伸长量一样，随着径向磁场减少至0，顺时针扭转的桶状磁致伸缩材料结构则迅速反转。此时，由于摩擦半球和转子球体部分的摩擦力力太小，所以转子不会发生扭转。当电流不断通入时，转子通过不断的扭转，该旋转电机实现顺时针旋转。同理当在径向驱动器缠绕线圈通入电流后的磁场方向为逆时针时，该旋转电机实现逆时针旋转。
[0026]
本实用新型的有益效果：本实用新型结构简单供紧凑、负载能力强、转速快、稳定性强、成本低的桶状磁致伸缩材料galfenol驱动的旋转电机。通过改变径向驱动器的线圈磁场的方向，可以使转子实现顺/逆时针方向旋转，可以应用在空航天、机器人、超精密机械制造等领域。
附图说明
[0027]
图1是本实用新型轴向和径向驱动器电流，及其对应的驱动磁场。
[0028]
图2是本实用新型的顺时针旋转的方向示意图。
[0029]
图3是本实用新型的逆时针旋转的方向示意图。
[0030]
图4是本实用新型的截面结构示意图。
[0031]
图5是本实用新型整体的正面结构示意图。
[0032]
图6是本实用新型摩擦钢球结构、桶状磁致伸缩材料结构、桶状永磁体的结构示意图。
[0033]
图7是实用新型预紧塞的结构示意图。
[0034]
图8是本实用新型转子的结构示意图。
[0035]
图9是本实用新型轴向驱动器的结构示意图。
[0036]
图10是本实用新型径向驱动器的结构示意图。
[0037]
图11是本实用新型壳体的结构示意图。
[0038]
图12是本实用新型蝶形弹簧的结构示意图。
[0039]
图13是本实用新型下端盖的结构示意图。
具体实施方式
[0040]
以下结合本附图实施对本实用新型作进一步详细的描述。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内。
[0041]
图2是该电机顺时针旋转的旋转示意图，其中左图表示的是该旋转电机顺时针旋转距原始位置θ角，右图表示轴向驱动器线圈与径向驱动器线圈（顺时针缠绕）共同作用时产生的顺时针螺旋磁场。
[0042]
图3是该电机逆时针旋转的旋转示意图，其中左图表示的是该旋转电机逆时针旋转距原始位置θ角，右图表示轴向驱动器线圈与径向驱动器线圈（逆时针缠绕）共同作用时产生的逆时针螺旋磁场。
[0043]
参阅图4—图13，该旋转电机由预紧塞1、转子2、轴向驱动器3、径向驱动器4、永磁体5、壳体6、摩擦半球7、桶状磁致伸缩材料结构8、蝶形弹簧9、下端盖10构成。
[0044]
其中通过预紧塞1和壳体6之间配合是摩擦半球7和转子2接触，摩擦半球7固定在桶状磁致伸缩材料结构8上，桶状磁致伸缩材料结构8固定在桶状永磁体5上，桶状永磁体5固定在蝶形弹簧9上，蝶形弹簧9固定在下端盖10上；
[0045]
轴向驱动器3置于桶状磁致伸缩材料结构8内部，径向驱动器4置于桶状磁致伸缩材料结构8外部；预紧塞1和下端盖10通过螺纹扭转进壳体6中，转子的直杆201则置于预紧塞的旋转轴承101中，旋转轴承的底端101和转子2的球体202表面相切。
[0046]
桶状永磁体5的n极固定在桶状磁致伸缩材料galfenol上，s极则固定在下端盖10上。
[0047]
预紧塞1由旋转轴承101和圆柱102构成。
[0048]
其中旋转轴承101共有2个，内嵌于圆柱（102）内圆柱的下半部分有螺纹，可以与壳体6相互配合。
[0049]
转子2由直杆201和球体202构成。其中直杆内嵌且固定于球体中。直杆和球体的材料均采用光滑的45号钢制成。
[0050]
轴向驱动器包括3包括线圈架301和轴向线驱动线圈302线圈架由非导磁材料铜制成，轴向驱动器线圈采用漆包线制成。轴向驱动器线圈紧密缠绕在线圈架上。
[0051]
径向驱动器4包括径向驱动器线圈401和磁环402，径向驱动器线圈采用漆包线制成。径向驱动器线圈紧密缠绕在在磁环上，当其缠绕的方向不同时，产生径向磁场的方向也不同。磁环可以减少漏磁。
[0052]
壳体6采用的是导磁材料铁制成，可以减少漏磁。
[0053]
下端盖10由上凸柱1001、圆柱1002和把手1003构成。
[0054]
其中上凸柱插进轴向线圈架401的空心中，固定轴向线圈架。圆柱1002的上表面有螺纹，可以和壳体6相互配合，通过把手1003可以把下端盖旋进壳体中。其中下端盖10由非导磁材料45号钢制成。
[0055]
其工作原理如下：
[0056]
轴向和径向驱动器电流周期可以分为4个阶段。第一个阶段，轴向和径向线圈均没有电流输入。此时，轴向磁场主要由桶状永磁体提供，径向磁场为0。第二阶段，径向和轴向线圈均开始缓慢通入电流，随着电流逐渐达到最大值。轴向磁场和径向磁场也达到最大值。第三阶段，通入轴向线圈的电流迅速减少至负值,径向线圈的电流保持不变。此时，轴向磁场迅速减少至低于第一阶段的磁场，径向磁场则保持不变。第四阶段，通入轴向电流保持负
值不变，径向电流的则迅速减少至0。此时，轴向的磁场保持不变，径向磁场则迅速减少至0。
[0057]
当磁环上缠绕线圈的方式为顺时针时，桶状磁致伸缩材料结构在轴向和径向驱动器电流周期内的具体驱动过程如下：第一阶段，当轴向驱动器线圈和径向驱动器线圈均没有电流输入时，桶状磁致伸缩材料结构在桶状永磁体的轴向偏置磁场作用下，沿轴向向上伸长产生微小形变，使摩擦半球和转子之间的紧密贴合。第二阶段，径向和轴向线圈均开始缓慢通入电流，随着电流逐渐达到最大值，轴向磁场和径向磁场也达到最大值。当轴向和径向磁场的共同作用时，产生螺旋磁场。在螺旋磁场下，桶状磁致伸缩材料结构伸长扭转，使摩擦半球和转子之间产生相对摩擦力，使转子产生扭转，转子距原始位置转过了角度为θ。初始时，由于摩擦力太小，转子不会扭转，当轴向和径向电流达到最大时，摩擦钢球和转子之间产生最大静摩擦力，转子发生扭转，转子距原始位置转过了角度为θ，并保持不变。其中桶状磁致伸缩材料结构在伸长扭转的过程中，可以分解为2个独立的过程：1.轴向磁场下，桶状磁致伸缩材料结构受轴向磁场的驱动，沿轴向方向向上伸长，当轴向磁场达到最大值时，伸长量也达到最大。摩擦钢球和转子贴合的随着磁场的增大贴合也越来越紧密；2.径向磁场下，桶状磁致伸缩材料结构受径向磁场的的驱动，沿径向方向顺时针扭转，当径向磁场达到最大值时，转矩量达到最大值。第三阶段，通入轴向线圈的电流迅速减少至负值，径向线圈的电流保持不变。此时，桶状磁致伸缩材料结构沿轴向向下缩短低于第一阶段的长度，摩擦半球和转子之间贴合；径向方向，桶状磁致伸缩材料结构则保持扭转量不变。第四阶段，通入轴向电流保持负值不变；通入径向电流的则迅速减少至0。此时，轴向的磁场保持不变，径向磁场则迅速减少至0。桶状磁致伸缩材料结构保持轴向的伸长量和第三阶段的伸长量一样，径向扭转量则迅速回转，由于此时摩擦力太小，所以转子不会发生扭转。当电流不断通入时，转子不断扭转，实现转子做顺时针旋转运动。同理当在磁环上缠场的线圈的方向为逆时针时，其旋转方向为逆时针旋转。
[0058]
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。