CN103904934B - 微米级逆磁致伸缩驱动器及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微米级逆磁致伸缩驱动器，包括驱动器和动子铁芯（6）；其特征是：所述驱动器包括磁体（4）和铁镓合金（3）；所述磁体（4）通过导磁材料与铁镓合金（3）构成磁回路Ⅰ（7）；所述磁体（4）还通过导磁材料与动子铁芯（6）构成磁回路Ⅱ（8）。

Description

微米级逆磁致伸缩驱动器及使用方法

技术领域

本发明涉及一种能实现微米定位精度逆磁致伸缩驱动器，特别是利用永磁体为铁镓合金磁致伸缩材料提供驱动磁场，利用磁致伸缩材料逆磁滞效应改变铁镓合金驱动磁场，从而改变铁镓合金伸缩长度，通过直线步进电机、直线伺服驱动机构或者直线电机改变动子铁芯位置，可以实现微位移定位。

背景技术

智能材料，如压电陶瓷和磁致伸缩材料，能实现微米级定位。压电陶瓷施加电压后，通过压电正向效应，实现微位移定位，通过位移放大机构或者叠装方式实现较大定位行程。压电陶瓷不足之处是材料本身比较脆，切向承受负载力有限。区别于压电陶瓷，磁致伸缩材料通过施加磁场，利用磁致效应实现微位移定位。常用的磁致伸缩材料有Terfenol_D和铁镓合金Galfenol，其中，铁镓合金Galfenol磁致伸缩材料坚固，能承受较大的不同方向的负载力，而且压力退火类型的Galfenol可以在无预压力情况下正常工作。

专利(申请号200610150582.7,授权公告号CN101166005）利用磁致伸缩材料结合微位移放大机构，通过调节电流实现微位移可调驱动器。专利（申请号200710125011.2，公开号CN101188874）采用永磁体为磁致伸缩材料提供励磁磁场，通过线圈电流改变磁致伸缩材料内磁场，实现微小位移驱动。专利（申请号200410090867.7，公开号CN1619938）利用线圈驱动磁致伸缩材料作为行程方向驱动，利用压电陶瓷做箍位，实现长距离高精度定位。专利（申请号200510056369.5，公开号：CN1670977）将施加静态偏置磁场永磁体放置在外壳上，线圈及磁致伸缩材料放置在内部，实现微位移驱动。

目前，磁致伸缩驱动器利用磁致伸缩驱动器正向效应，采用永磁体提供静态偏置磁场，调节线圈电流改变磁致伸缩材料中的磁密，实现微位移调整。这种驱动方式的不足之处在于能耗大，温度高，而磁致伸缩材料磁导率通常较低，这就需要较多的安匝数驱动，线圈中电流会产生热损耗。在实际使用中往往加入额外的散热冷却装置保证执行器的稳定工作。而且目前使用的磁致伸缩驱动器多数只是单台使用，不能像压电陶瓷一样通过多片叠装方式实现大行程控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的微米级逆磁致伸缩驱动器。

为了解决上述技术问题，本发明提供微米级逆磁致伸缩驱动器，包括驱动器和动子铁芯；所述驱动器包括磁体和铁镓合金；所述磁体通过导磁材料与铁镓合金构成磁回路Ⅰ；所述磁体还通过导磁材料与动子铁芯构成磁回路Ⅱ。

作为以上所述的微米级逆磁致伸缩驱动器的改进：所述导磁材料包括端部铁镓合金导磁铁芯、端部永磁体导磁铁芯和底座导磁铁芯；所述端部永磁体导磁铁芯和底座导磁铁芯之间设置磁体；所述端部铁镓合金导磁铁芯和底座导磁铁芯之间设置铁镓合金。

作为以上所述的微米级逆磁致伸缩驱动器的进一步改进：所述端部铁镓合金导磁铁芯、铁镓合金和底座导磁铁芯内设置动子铁芯；所述磁体、底座导磁铁芯、铁镓合金、端部铁镓合金导磁铁芯和端部永磁体导磁铁芯依次构成磁回路Ⅰ；所述磁体、底座导磁铁芯、动子铁芯、端部铁镓合金导磁铁芯和端部永磁体导磁铁芯依次构成磁回路Ⅱ。

作为以上所述的微米级逆磁致伸缩驱动器的进一步改进：所述端部永磁体导磁铁芯、磁体和底座导磁铁芯外设置动子铁芯；所述磁体、底座导磁铁芯、铁镓合金、端部铁镓合金导磁铁芯和端部永磁体导磁铁芯依次构成磁回路Ⅰ；所述磁体、底座导磁铁芯、动子铁芯和端部永磁体导磁铁芯依次构成磁回路Ⅱ。

作为以上所述的微米级逆磁致伸缩驱动器的进一步改进：所述磁体轴向充磁。

作为以上所述的微米级逆磁致伸缩驱动器的进一步改进：所述驱动器多个依次串联后与单个动子铁芯相互配合。

作为以上所述的微米级逆磁致伸缩驱动器的进一步改进：所述磁体为永磁体或者电磁铁。

微米级逆磁致伸缩驱动器的使用方法：包括如下步骤：动子铁芯沿着轴向运行，改变磁回路Ⅱ内的磁阻；磁回路Ⅱ内磁阻改变后，磁回路Ⅰ的磁通量发生变化，通过磁通的变化使得铁镓合金发生形变，驱使端部铁镓合金导磁铁芯沿着轴向伸缩。

本发明与目前现有驱动技术不同，本发明利用永磁体为铁镓合金磁致伸缩材料提供驱动磁场，利用磁致伸缩材料逆磁滞效应改变铁镓合金驱动磁场，从而改变铁镓合金伸缩长度，通过直线步进电机、直线伺服驱动机构或者直线电机改变动子铁芯位置，可以实现铁镓合金微米级控制。且不会如常规驱动器中的线圈所产生的热量而影响磁致伸缩材料。因此，执行器工作稳定，适合高精度定位需求。而且，本发明的驱动器结构可实现多台执行器串联工作方式，不采用蠕虫步进驱动方式和位移放大装置既可以实现微米级下的大行程定位。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明的动子铁芯6在内部的结构示意图；

图2为本发明的动子铁芯6在外部的结构示意图；

图3为内动子铁芯结构中动子铁芯在某一位置时永磁体磁通路径；

图4为外动子铁芯结构中动子铁芯在某一位置时永磁体磁通路径；

图5为内动子铁芯结构驱动器串联使用示意图；

图6为外动子铁芯结构驱动器串联使用示意图。

具体实施方式

实施例1、图1、图3和图6给出了一种微米级磁致伸缩执行器及使用方法；一种微米级磁致伸缩执行器包括驱动器和动子铁芯6。驱动器包括端部铁镓合金导磁铁芯1、端部永磁体导磁铁芯2、铁镓合金3、磁体4（永磁体为例）和底座导磁铁芯5；端部铁镓合金导磁铁芯1和底座导磁铁芯5之间设置铁镓合金3；端部永磁体导磁铁芯2和底座导磁铁芯5之间设置磁体4。端部铁镓合金导磁铁芯1、铁镓合金3和底座导磁铁芯5内设置动子铁芯6；磁体4轴向充磁；磁体4、底座导磁铁芯5、铁镓合金3、端部铁镓合金导磁铁芯1和端部永磁体导磁铁芯2依次构成磁回路Ⅰ7；所述磁体4、底座导磁铁芯5、动子铁芯6、端部铁镓合金导磁铁芯1和端部永磁体导磁铁芯2依次构成磁回路Ⅱ8。

在实际使用的时候，通过多个驱动器依次串联后与单个动子铁芯6相互配合使用，即一个驱动器的端部铁镓合金导磁铁芯1与另外一个驱动器的底座导磁铁芯5相连接。

具体的使用方法及原理如下：驱动装置驱动动子铁芯6沿着轴向移动，磁回路Ⅱ8的磁阻发生变化，改变了铁镓合金3中的磁通磁密，继而，铁镓合金3的长度发生改变，导致驱动器的长度发生相应的改变。

单个动子铁芯6和驱动器的实际步骤如下：

将动子铁芯6外接驱动装置，驱动装置可以如直线步进电机、伺服电机和直线电机等机构；

驱动装置驱动动子铁芯6沿着轴向向右移动，磁回路Ⅱ8的磁阻减小，部分经过磁回路Ⅰ7的磁通开始通过磁回路Ⅱ8，导致铁镓合金3中的磁通密度减小，铁镓合金3缩短；

驱动装置驱动动子铁芯6沿着轴向向左移动，磁回路Ⅱ8的磁阻增大，部分经过磁回路Ⅱ8的磁通开始通过磁回路Ⅰ7，导致铁镓合金3中的磁通密度增大，铁镓合金3伸长。

单个动子铁芯6和多个驱动器串联后的实际步骤如下：

将动子铁芯6外接驱动装置，驱动装置可以如直线步进电机、伺服电机和直线电机等机构；

驱动装置驱动动子铁芯6沿着轴向从左向右移动（进入第一个驱动器），第一个驱动器的磁回路Ⅱ8的磁阻减小，第一个驱动器中，部分经过磁回路Ⅰ7的磁通开始通过磁回路Ⅱ8，导致第一个驱动器中铁镓合金3的磁通密度减小，第一个驱动器的铁镓合金3逐渐缩短；

当动子铁芯6完全进入第一个驱动器后，第一个驱动器的铁镓合金3停止缩短，保持当前长度；

驱动装置驱动动子铁芯6沿着轴向从左向右移动（从第一个驱动器进入第二个驱动器），第二个驱动器的磁回路Ⅱ8的磁阻减小，第二个驱动器中，部分经过磁回路Ⅰ7的磁通开始通过磁回路Ⅱ8，导致第二个驱动器中铁镓合金3的磁通密度减小，第二个驱动器的铁镓合金3逐渐缩短；

当动子铁芯6进入N个驱动器时，驱动器的长度由于铁镓合金3会缩短相应的长度；当动子铁芯6从N个驱动器中退出时，驱动器的长度由于铁镓合金3会增长相应的长度（恢复到动子铁芯6未进入驱动器时的长度）；通过这种方法，就可以实现驱动器长度逐级的伸长或者缩短。

实施例2、图2、图4和图5给出了一种微米级磁致伸缩执行器，端部铁镓合金导磁铁芯1和铁镓合金3上套装端部永磁体导磁铁芯2和磁体4；永磁体导磁铁芯2和磁体4上套装动子铁芯6。磁体4为轴向充磁，通过轴向充磁，在底座导磁铁芯5、铁镓合金3和端部铁镓合金导磁铁芯1形成磁回路Ⅰ7；底座导磁铁芯5、动子铁芯6和导磁铁芯2形成磁回路Ⅱ8。

在实际使用的时候，通过多个驱动器依次串联后与单个动子铁芯6相互配合使用。

在实际使用的时候，使用步骤与使用的原理与实施例1完全相同。

以上所述的磁致伸缩材料选择时，可以使用Terfenol（最早出现）或者Galfenol(铁镓合金），由于目前磁致伸缩材料包括Terfenol（最早出现）和Galfenol(铁镓合金），在同一磁通密度下，同样长度的Terfenol比Galfenol伸长要长，Terfenol磁致伸缩长度最高可达2000ppm，而Galfenol伸缩长度最高为400ppm；然而，Galfenol区别Terfenol的优点是，Terfenol比较脆，而Galfenol很坚硬，Galfenol可以焊接，并且磁导率大，可以达到100左右，而Terfenol只能达到10。Galfenol的磁导率大这一性质可以用在电机的铁芯中，作为磁路的一部分；Galfenol的另一个显著优点是存在压力退火类型，Terfenol工作的时候，必须有预压力，该预压力是保证Terfenol工作在最佳状态，即在该预压力下，相同磁环境下，可以达到最大的伸长率；非压力退火（stress annealing)类型的Galfenol也需要该预压力，然而，Galfenol另一个显著优点是，在烧结制备Galfenol时候，这个预压力可以预置进去，这样，在使用的时候可以不用预压力，可以达到最佳工作状态。压力退火类型的Galfenol可以工作在拉力而不是压力工况下，而Terfenol只能工作在压力，如果工作在拉力状态下，会损坏。而综上诉述，当磁致伸缩材料选用的铁镓合金为压力退火类型时，可以不额外施加预紧压力。驱动器比采用Tefenol磁致伸缩材料更加紧凑，且铁镓合金Galfenol磁导率高于Terfenol，所需要的线圈安匝数较少。动子铁芯6可以用直线步进电机、伺服电机和直线电机等机构驱动。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种微米级逆磁致伸缩驱动器，包括驱动器和动子铁芯(6)；其特征是：所述驱动器包括磁体(4)和铁镓合金(3)；

所述磁体(4)通过导磁材料与铁镓合金(3)构成磁回路Ⅰ(7)；

所述磁体(4)还通过导磁材料与动子铁芯(6)构成磁回路Ⅱ(8)；所述导磁材料包括端部铁镓合金导磁铁芯(1)、端部永磁体导磁铁芯(2)和底座导磁铁芯(5)；

所述端部永磁体导磁铁芯(2)和底座导磁铁芯(5)之间设置磁体(4)；

所述端部铁镓合金导磁铁芯(1)和底座导磁铁芯(5)之间设置铁镓合金(3)。

2.根据权利要求1所述的一种微米级逆磁致伸缩驱动器，其特征是：所述端部铁镓合金导磁铁芯(1)、铁镓合金(3)和底座导磁铁芯(5)内设置动子铁芯(6)；

所述磁体(4)、底座导磁铁芯(5)、铁镓合金(3)、端部铁镓合金导磁铁芯(1)和端部永磁体导磁铁芯(2)依次构成磁回路Ⅰ(7)；

所述磁体(4)、底座导磁铁芯(5)、动子铁芯(6)、端部铁镓合金导磁铁芯(1)和端部永磁体导磁铁芯(2)依次构成磁回路Ⅱ(8)。

3.根据权利要求1所述的一种微米级逆磁致伸缩驱动器，其特征是：所述端部永磁体导磁铁芯(2)、磁体(4)和底座导磁铁芯(5)外设置动子铁芯(6)；

所述磁体(4)、底座导磁铁芯(5)、铁镓合金(3)、端部铁镓合金导磁铁芯(1)和端部永磁体导磁铁芯(2)依次构成磁回路Ⅰ(7)；

所述磁体(4)、底座导磁铁芯(5)、动子铁芯(6)和端部永磁体导磁铁芯(2)依次构成磁回路Ⅱ(8)。

4.根据权利要求2或者3所述的一种微米级逆磁致伸缩驱动器，其特征是：所述磁体(4)轴向充磁。

5.根据权利要求4所述的一种微米级逆磁致伸缩驱动器，其特征是：所述驱动器多个依次串联后与单个动子铁芯(6)相互配合。

6.根据权利要求5所述的一种微米级逆磁致伸缩驱动器，其特征是：所述磁体(4)为永磁体或者电磁铁。

7.如权利要求1中的一种微米级逆磁致伸缩驱动器的使用方法，其特征是：包括如下步骤：

动子铁芯(6)沿着轴向运行，改变磁回路Ⅱ(8)内的磁阻；

磁回路Ⅱ(8)内磁阻改变后，磁回路Ⅰ(7)的磁通量发生变化，通过磁通的变化使得铁镓合金(3)发生形变，驱使端部铁镓合金导磁铁芯(1)沿着轴向伸缩。