具有位移放大功能的动态永磁场驱动式磁致伸缩致动器的制作方法

本发明属于磁致伸缩致动器领域，特别涉及一种具有位移放大功能并以永磁铁产生动态闭合交变磁场的方式来驱动超磁致伸缩棒高频振动的大行程超磁致伸缩致动器。

背景技术：

超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，它是一种室温下具有极强磁致伸缩效应的一类金属化合物，其典型代表是Tb_0.27Dy_0.73Fe_1.95和T_0.7Dy_0.73Fe₂，商品名称为Terfenol-D。作为一种新型高效磁能-机械能转换材料，与普通的磁致伸缩材料（如钴、镍）和压电材料（如PZT）等其他材料相比，其具有大应变、高效功率密度、精度高、响应速度快及可靠性高等优点。

铁磁材料在磁场中磁化时，会沿着磁化方向发生微量的伸长或缩短，这一现象被称为磁致伸缩现象，也称为焦耳效应。磁致伸缩效应是超磁致伸缩材料具有的重要物理效应之一，依据此效应，可以利用超磁致伸缩材料的形变实现微米级的精密位移控制。因此，可以使用超磁致伸缩材料制作驱动装置，即超磁致伸缩致动器。2007年在International Journal of Advanced Manufacturing Technology第33卷第3-4期，发表的Control of a dual stage magnetostrictive actuator and linear motor feed drive system中，麦克马斯特大学研制了一种用于控制切削过程的双级进给驱动系统。

目前多数的超磁致伸缩致动器是利用通有交变电流的线圈所产生的交变磁场来驱动超磁致伸缩棒产生振动，但是此种驱动方式会产生大量热量并且所产生的磁场强度小，内部磁场分布不均匀。少数采用永磁体产生交变磁场的方式来驱动超磁致伸缩棒，但是磁路不闭合，磁场利用率不高、磁场不均匀且位移较小，因此需要研制一种新的具有位移放大功能并使永磁体产生的磁场形成闭合的磁路的装置。

技术实现要素：

发明目的

针对永磁驱动式磁致伸缩致动器永磁体产生的磁路不闭合、磁场不均匀、输出位移小等问题。本发明设计一种以超磁致伸缩棒为核心元件、利用高速转动的永磁铁产生磁路闭合的动态交变磁场、使超磁致伸缩棒产生高频振动并通过位移放大机构放大位移的动态永磁场驱动式超磁致伸缩致动器。

技术方案

一种具有位移放大功能的动态永磁场驱动式磁致伸缩致动器，致动器整体为轴对称式结构，其特征在于：包括外壳，外壳由相同的两部分构成，两部分延中心对称安装在一起并通过双头螺柱和螺母连接紧固；超磁致伸缩棒安装在棒体基座上，棒体基座安装在外壳内部的凹槽中，位移放大机构安装在外壳内部的方形凹槽中且位移放大机构的左端与超磁致伸缩棒接触；波导杆安装在外壳上部的通孔中，波导杆底部与外壳之间装有弹簧且波导杆底部与位移放大机构的上端接触；外壳的两侧分别安装有左转子和右转子，内部陶瓷轴承分别安装在左转子和右转子的底端内部，右转子上的细轴穿过外壳上的通孔与左转子通过键连接；左转子和右转子的外侧与外壳之间安装有外部陶瓷轴承，左转子和右转子底部的圆柱形孔中分别安装有6个条形磁铁，底部的半圆柱形凹槽中安装有圆柱滚子，圆柱滚子与外壳接触；左转子和右转子内部分别安装有3个U形导磁块。

左转子由左转子顶盖、左转子上夹层、左转子下夹层、左转子底盖组成；左转子顶盖的顶端有2个沉头螺纹孔，底端径向开有半圆柱型凹槽；左转子上夹层顶端有2个沉头螺纹孔和2个螺纹孔，在径向开有半圆柱型凹槽并且凹槽两端开有圆柱形通孔；在左转子上夹层的底端沿径向同样开有半圆柱型凹槽，左转子上夹层的顶端与底端的半圆柱型凹槽的异面直线夹角为60°；左转子顶盖上的半圆柱型凹槽和左转子上夹层顶端的半圆柱型凹槽及圆柱形通孔中安装有第一块U形导磁块；穿过左转子顶盖上的2个沉头螺纹孔和左转子上夹层顶端的2个螺纹孔的螺钉将左转子顶盖、左转子上夹层及第一块U形导磁块连接紧固；左转子下夹层顶端有2个沉头螺纹孔和2个螺纹孔，在径向开有半圆柱型凹槽并且凹槽两端开有圆柱形通孔，在左转子下夹层的顶端开有一对圆柱形通孔，通孔的连心线与径向开有的半圆柱型凹槽成60°角；左转子下夹层的底端沿径向同样开有半圆柱型凹槽，并且左转子下夹层顶端与底端的半圆柱型凹槽的异面直线夹角为60°；左转子上夹层底端的半圆柱型凹槽与左转子下夹层顶端的半圆柱型凹槽和凹槽两端开有的圆柱形通孔中安装有第二块U形导磁块，穿过左转子上夹层顶端的2个沉头螺纹孔和左转子下夹层顶端的2个螺纹孔的螺钉将左转子上夹层、左转子下夹层及第二块U形导磁块连接紧固；左转子底盖的顶端径向开有半圆柱型凹槽，凹槽两端开有圆柱形通孔，左转子底盖顶端开有2个螺纹孔和两对连心线夹角为60度的圆柱形通孔，左转子底盖底端中心处设有圆柱形沟槽，圆柱形沟槽底端开有圆柱形轴槽，轴槽上开有键槽，圆柱形沟槽用于安装内部陶瓷轴承，左转子底盖底端径向开有6个半圆柱形凹槽，用于安装圆柱滚子；左转子下夹层底端的半圆柱型凹槽与左转子底盖顶端的半圆柱型凹槽和凹槽两端的圆柱形通孔中安装有第三块U形导磁块，穿过左转子下夹层上端的2个沉头螺纹孔和左转子底盖上端的2个螺纹孔的螺钉将左转子下夹层、左转子底盖及第三块U形导磁块连接紧固；条形磁铁安装在左转子底端的6个圆柱形孔中且采用过盈配合。

右转子由右转子顶盖、右转子上夹层、右转子下夹层、右转子底盖组成；右转子顶盖的顶端有2个沉头螺纹孔，顶端中心处设有阶梯轴，轴端开有键槽，底端径向开有半圆柱型凹槽；右转子上夹层顶端有2个沉头螺纹孔和2个螺纹孔，在径向开有半圆柱型凹槽并且凹槽两端开有圆柱形通孔；在右转子上夹层底端沿径向同样开有半圆柱型凹槽，右转子上夹层顶端与底端的半圆柱型凹槽的异面直线夹角为60°；在右转子顶盖底端的半圆柱型凹槽和右转子上夹层顶端的半圆柱型凹槽和凹槽两端开有的圆柱形通孔中安装有第一块U形导磁块；穿过右转子顶盖上的2个沉头螺纹孔和右转子上夹层顶端的2个螺纹孔的螺钉将右转子顶盖、右转子上夹层及U形导磁块连接紧固；右转子下夹层顶端有2个沉头螺纹孔和2个螺纹孔，在径向开有半圆柱型凹槽并且凹槽两端开有圆柱形通孔，在右转子下夹层的顶端打有一对圆柱形通孔，通孔的连心线与径向开有的半圆柱型凹槽呈60度角，右转子下夹层的底端沿径向同样开有半圆柱型凹槽并且右转子下夹层顶端与底端的半圆柱型凹槽的异面直线夹角为60°；在右转子上夹层底端的半圆柱型凹槽与右转子下夹层顶端的半圆柱型凹槽和凹槽两端开有的圆柱形通孔中安装有第二块U形导磁块，穿过右转子上夹层顶端的2个沉头螺纹孔和右转子下夹层顶端的2个螺纹孔的螺钉将右转子上夹层、右转子下夹层及U形导磁块连接紧固；右转子底盖的顶端径向开有半圆柱型凹槽，凹槽两端开有圆柱形通孔，右转子底盖顶端有2个螺纹孔和两对连心线夹角为60度的圆柱形通孔，右转子底盖底端中心处设有用于安装内部陶瓷轴承的圆柱形沟槽，圆柱形沟槽底端有圆柱形细轴，细轴底端开有键槽，右转子底盖底端径向开有6个用于安装圆柱滚子的半圆柱形凹槽；在右转子下夹层底端的半圆柱型凹槽与右转子底盖上端的半圆柱型凹槽和凹槽两端开有的圆柱形通孔中安装有第三块U形导磁块，穿过右转子下夹层上端的2个沉头螺纹孔和右转子底盖上端的2个螺纹孔的螺钉将右转子下夹层、右转子底盖及U形导磁块连接紧固；条形磁铁安装在右转子底端的6个圆柱形孔中且采用过盈配合。

U形导磁块整体呈U形圆管状，采用电工纯铁制成。

条形磁铁为圆柱形。

外壳是由对称的两部分组成，外壳的左右两端各开有圆柱形凹槽，凹槽的中心处有圆柱形凸台，在左右两端圆柱形凸台中心处开有贯穿外壳的圆形通孔；在贯穿外壳的圆形通孔的上下侧各打有圆形通孔，在上侧圆形通孔的左侧设有圆柱形凹槽，在上侧圆形通孔右侧设有方形凹槽，在方形凹槽的上端开有纵向贯通的圆形通孔；外壳正面上周向分布着4个用于安装双头螺柱的通孔。

棒体基座为阶梯圆柱形，中心处带有阶梯通孔，阶梯通孔下端孔的直径小于上端孔的直径；超磁致伸缩棒的下端安装在棒体基座的上端孔中，二者为过渡配合，且超磁致伸缩棒的下端面与棒体基座上端孔的底面接触；棒体基座安装在外壳上的凹槽处，且棒体基座与凹槽间为过盈配合。

位移放大机构整体为对称结构，采用弹簧刚制作，在其内外侧沿周向开有弧形凹槽；超磁致伸缩棒的上端面与位移放大机构的左端面接触；超磁致伸缩棒产生的横向位移通过位移放大机构转换为纵向位移且被放大。

波导杆上端为长圆柱体，下端为长方体；长方体的上端面与弹簧的下端接触，弹簧的上端与外壳上的方形凹槽的上端接触；放大后的超磁致伸缩棒纵向位移通过波导杆传递到外界。

优点及效果

本发明是一种具有位移放大功能的动态永磁场驱动式磁致伸缩致动器，具有如下优点和有益效果：

本发明采用运动的永磁体来产生驱动超磁致伸缩棒的交变激励磁场，避免了使用电磁线圈励磁的方式所产生大量热量的弊端；本发明设计的新的磁路结构能使永磁体产生环形闭合磁场，使磁场更加均匀且磁场利用率更高；所设计的位移放大机构不仅将超磁致伸缩棒的横向位移转换为纵向位移而且起到了位移放大的作用，结构体积较小便于安装放置。

附图说明

图1是致动器示意图。

图2（a）是致动器一个方向内部结构示意图，图2（b）是致动器另一个方向内部结构示意图。

图3是外壳示意图，其中图3（a）是外壳整体示意图，图3（b）是外壳内部示意图。

图4是左转子示意图，其中图4（a）是左转子顶端示意图，图4（b）是左转子底端示意图。

图5是左转子顶盖示意图，其中图5（a）是左转子顶盖顶端示意图，图5（b）是左转子顶盖底端示意图。

图6是左转子上夹层示意图，其中图6（a）是左转子上夹层顶端示意图，图6（b）是左转子上夹层底端示意图。

图7是左转子下夹层示意图，其中图7（a）是左转子下夹层顶端示意图，图7（b）是左转子下夹层底端示意图。

图8是左转子底盖示意图，其中图7（a）是左转子底盖顶端示意图，图8（b）是左转子底盖底端示意图。

图9是右转子示意图，其中图9（a）是右转子顶端示意图，图9（b）是右转子底端示意图。

图10是右转子顶盖示意图，其中图10（a）是右转子顶盖顶端示意图，图10（b）是右转子顶盖底端示意图。

图11是右转子上夹层示意图，其中图11（a）是右转子上夹层顶端示意图，图11（b）是右转子上夹层底端示意图。

图12是右转子下夹层示意图，其中图12（a）是右转子下夹层顶端示意图，图12（b）是右转子下夹层底端示意图。

图13是右转子底盖示意图，其中图13（a）是右转子底盖顶端示意图，图13（b）是右转子底盖底端示意图。

图14是位移放大机构示意图。

图15是波导杆示意图。

图16是棒体基座示意图。

图17是U形导磁块示意图。

图18是一条磁路的磁铁布置示意图。

图19是左右转子中条形磁铁及U形导磁块布置示意图。

附图标记说明：

1.外壳，2.双头螺柱，3.螺母，4.外部陶瓷轴承，5.左转子，6.棒体基座，7.超磁致伸缩棒，8.螺钉，9.位移放大机构，10.内部陶瓷轴承，11.条形磁铁，12.圆柱滚子，13.右转子，14.弹簧，15.波导杆，16.U形导磁块，C. 左转子顶盖，D. 左转子上夹层，E. 左转子下夹层，F. 左转子底盖，L. 右转子顶盖，M. 右转子上夹层，N. 右转子下夹层，O. 右转子底盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明是一种以超磁致伸缩棒为核心元件，利用高速转动的永磁铁产生磁路闭合的动态交变磁场使超磁致伸缩棒产生高频振动并通过位移放大机构放大位移的动态永磁场驱动式磁致伸缩致动器。该具有位移放大功能的动态永磁场驱动式磁致伸缩致动器的工作原理是：依据超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应原理，当超磁致伸缩棒的磁化状态发生变化时就会引起棒的轴向尺寸发生变化；运动的条形磁铁会产生动态的交变磁场，在此磁场作用下超磁致伸缩棒的磁化状态发生变化，进而超磁致伸缩棒产生连续的高频振动；然后，超磁致伸缩棒的振动通过与其连接的位移放大机构将横向位移转化为纵向位移并将位移放大，进而通过与其连接的波导杆将振动传递到外界。

图1是致动器示意图，图2是致动器内部结构示意图，图中左转子5和右转子13内部各装有6个条形磁铁11，图18是一条磁路的磁铁布置示意图，图中左右两部分分别安装在左转子5和右转子13底端的沿径向对称的一对圆柱形孔中。图19是左右转子中条形磁铁及U形导磁块布置示意图，图中左转子5中所装的条形磁铁11与安装在右转子13中横向相对的条形磁铁11磁极相反，同一转子上的相邻磁铁间的磁极相反；左转子5和右转子13每旋转60°，磁场的方向就会翻转一次。左转子5和右转子13底端安装的6个陶瓷制成的圆柱滚子12与左转子5和右转子13底端内部安装的内部陶瓷轴承10、及左转子5与右转子13外部与外壳1之间安装的外部陶瓷轴承4将整个磁路与外界分隔，并且形成环形闭合回路，减少了外界因素的干扰；如图17所示，左转子5和右转子13内部安装的U形导磁块16是由电工纯铁制成，U形导磁块16的两端连接着同一磁路的两块条形磁铁11，在U形导磁块16的作用下所产生的环形磁路中磁场更加均匀。工作时连接在右转子13顶端轴上的电机将带动左转子5和右转子13高速旋转。随着左转子5和右转子13的旋转，条形磁铁11的端面与外壳1上开有贯穿外壳的圆形通孔的上下侧打有的圆柱形通孔间的接触面积不断发生变化，这导致了磁路不断发生变化，从而使磁场的大小连续发生改变，进而产生动态交变磁场。在交变磁场作用下超磁致伸缩棒7轴向产生振动，如图2、图14和图15所示，超磁致伸缩棒7的振动通过与之相连的位移放大机构9将横向位移转换为纵向位移并将位移放大，放大后的位移通过与之相连的波导杆15传递到外界。在图2和图16中所示，棒体基座6与超磁致伸缩棒7间为过渡配合，避免了超磁致伸缩棒7在安装时发生破损；棒体基座6与外壳1间为过盈配合，实现了对超磁致伸缩棒7的底端夹紧。各零件具体结构见图3-图17。

本装置整体机构为轴对称式结构，如图1、图2和图3中所示：超磁致伸缩棒7安装在棒体基座6上，棒体基座6安装在外壳内部的凹槽A中，位移放大机构9安装在外壳1内部的方形凹槽B中且位移放大机构9的左端与超磁致伸缩棒7接触。波导杆15安装在外壳上部的通孔中，波导杆15底部与外壳1之间装有弹簧14且波导杆15底部与位移放大机构9的上端接触。外壳1的两侧分别安装有左转子5和右转子13内部陶瓷轴承10分别安装在左转子5和右转子13的底端内部，右转子13上的细轴穿过外壳1上的通孔与左转子5通过键连接。左转子5和右转子13的外侧与外壳1之间安装有外部陶瓷轴承4，左转子5和右转子13底部的圆柱形孔中分别安装有6个条形磁铁11，底部的半圆柱形凹槽中安装有圆柱形滚子12，圆柱滚子12与外壳1接触；左转子3和右转子15内部分别安装有3个U形导磁块16。外壳1由相同的两部分构成，两部分延中心对称安装在一起并通过双头螺柱2和螺母3连接紧固。

如图4-图8中所示，左转子5由左转子顶盖C、左转子上夹层D、左转子下夹层E、左转子底盖F四部分组成，左转子顶盖C的顶端有2个沉头螺纹孔α，底端径向开有半圆柱型凹槽，左转子上夹层D顶端有2个沉头螺纹孔α和2个螺纹孔β，在径向开有半圆柱型凹槽并且凹槽两端开有圆柱形通孔。在左转子上夹层D底端沿径向同样开有半圆柱型凹槽，左转子上夹层D顶端与底端的半圆柱型凹槽的异面直线夹角为60°。第一块U形导磁块16安装在左转子顶盖C上的半圆柱型凹槽和左转子上夹层D顶端的半圆柱型凹槽及圆柱形通孔中。螺钉8穿过左转子顶盖C上的2个沉头螺纹孔α和左转子上夹层D顶端的2个螺纹孔β，螺钉8将左转子顶盖C、左转子上夹层D及U形导磁块16连接紧固。左转子下夹层E顶端有2个沉头螺纹孔α和2个螺纹孔β，在径向开有半圆柱型凹槽并且凹槽两端开有圆柱形通孔，在左转子下夹层的顶端有一对圆柱形通孔，通孔的连心线与径向开有的半圆柱型凹槽成60°角。左转子下夹层E的底端沿径向同样开有半圆柱型凹槽，并且左转子下夹层E顶端与底端的半圆柱型凹槽的异面直线夹角为60°。第二块U形导磁块16安装在左转子上夹层D底端的半圆柱型凹槽与左转子下夹层E顶端的半圆柱型凹槽和凹槽两端开有的圆柱形通孔中，螺钉8穿过左转子上夹层D顶端的2个沉头螺纹孔α和左转子下夹层E顶端的2个螺纹孔β将左转子上夹层D、左转子下夹层E及U形导磁块16连接紧固。左转子底盖F的顶端径向开有半圆柱型凹槽，凹槽两端开有圆柱形通孔，顶端有2个螺纹孔β和两对连心线夹角为60度的圆柱形通孔，左转子底盖F底端中心处设有圆柱形沟槽，圆柱形沟槽底端开有圆柱形轴槽，轴槽上开有键槽，圆柱形沟槽用于安装内部陶瓷轴承10，左转子底盖F底端径向开有6个半圆柱形凹槽，用来安装圆柱滚子12。第三块U形导磁块16安装在左转子下夹层E底端的半圆柱型凹槽与左转子底盖F顶端的半圆柱型凹槽和凹槽两端的圆柱形通孔中，螺钉8通过左转子下夹层E上端的2个沉头螺纹孔α和左转子底盖F上端的2个螺纹孔β，螺钉8将左转子下夹层E、左转子底盖F及U形导磁块16连接紧固。条形磁铁11则安装在左转子5底端的6个圆柱形孔中且采用过盈配合。

如图9-图13所示，右转子13由右转子顶盖L、右转子上夹层M、右转子下夹层N、右转子底盖O四部分组成，右转子顶盖L的顶端有2个沉头螺纹孔α，顶端中心处有阶梯轴，轴端开有键槽，底端径向开有半圆柱型凹槽；右转子上夹层M顶端有2个沉头螺纹孔α和2个螺纹孔β，在径向开有半圆柱型凹槽并且凹槽两端开有圆柱形通孔。在右转子上夹层M底端沿径向同样开有半圆柱型凹槽右转子上夹层M顶端与底端的半圆柱型凹槽的异面直线夹角为60°。第一块U形导磁块16安装在右转子顶盖L上的半圆柱型凹槽和右转子上夹层M顶端的半圆柱型凹槽和凹槽两端开有的圆柱形通孔中。螺钉8穿过右转子顶盖L上的2个沉头螺纹孔α和右转子上夹层M顶端的2个螺纹孔β将右转子顶盖L、右转子上夹层M及U形导磁块16连接紧固。右转子下夹层N顶端有2个沉头螺纹孔α和2个螺纹孔β，在径向开有半圆柱型凹槽并且凹槽两端开有圆柱形通孔，在右转子下夹层N的顶端打有一对圆柱形通孔,通孔的连心线与径向开有的半圆柱型凹槽呈60度角，右转子下夹层N的底端沿径向同样开有半圆柱型凹槽并且右转子下夹层N顶端与底端的半圆柱型凹槽的异面直线夹角为60°。第二块U形导磁块16安装在右转子上夹层M底端的半圆柱型凹槽与右转子下夹层N顶端的半圆柱型凹槽和凹槽两端开有的圆柱形通孔中，螺钉8穿过右转子上夹层M顶端的2个沉头螺纹孔α和右转子下夹层N顶端打的2个螺纹孔β将右转子上夹层M、右转子下夹层N及U形导磁块16连接紧固。右转子底盖O的顶端径向开有半圆柱型凹槽，凹槽两端开有圆柱形通孔，顶端有2个螺纹孔β和两对连心线夹角为60度的圆柱形通孔，右转子底盖O底端中心处设有圆柱形沟槽，圆柱形沟槽底端有圆柱形细轴，细轴底端开有键槽，圆柱形沟槽用于安装内部陶瓷轴承10，右转子底盖O底端径向开有6个半圆柱形凹槽，用来安装圆柱滚子12。第三块U形导磁块16安装在右转子下夹层N的底端沿径向开有半圆柱型凹槽与右转子底盖O上端径向开有的半圆柱型凹槽和凹槽两端开有的圆柱形通孔中，螺钉8通过右转子下夹层N上端的2个沉头螺纹孔α和右转子底盖O上端的2个螺纹孔β将右转子下夹层N、右转子底盖O及U形导磁块16连接紧固。条形磁铁11则安装在右转子底端的6个圆柱形孔中且采用过盈配合。

如图所示17所示，U形导磁块16整体呈U形圆管状，采用电工纯铁制成。

条形磁铁11为圆柱形，分别安装在左转子5和右转子13的圆柱形孔中，并且条形磁铁11与左转子5和右转子13间为均为过盈配合。

外壳1是由对称的两部分组成，外壳1的左右两端各开有圆柱形凹槽，凹槽的中心处有圆柱形凸台，在左右两端圆柱形凸台中心处开有贯穿外壳的圆形通孔。在贯穿外壳的圆形通孔的上下侧各打有圆形通孔，在上侧圆形通孔的左侧设有圆柱形凹槽A，在上侧圆形通孔右侧设有方形凹槽B，在方形凹槽B的上端开有纵向贯通的圆形通孔。外壳1正面上周向分布着4个通孔用来安装双头螺柱2。

如图2和图16所示，棒体基座6为阶梯圆柱形，中心处带有阶梯通孔，阶梯通孔下端孔的直径小于上端孔的直径；超磁致伸缩棒7的下端安装在棒体基座6的上端孔中，二者为过渡配合，且超磁致伸缩棒7的下端面与棒体基座6上端孔的底面接触；棒体基座6安装在外壳1上的凹槽A处，且棒体基座6与凹槽A间为过盈配合。

如图2和图14所示，位移放大机构9整体为对称结构，采用弹簧刚制作，在其内外侧沿周向开有弧形凹槽；超磁致伸缩棒7的上端面与位移放大机构9的左端面接触。超磁致伸缩棒7产生的横向位移通过位移放大机构9转换为纵向位移且被放大。

如图2和图15所示，波导杆15上端为长圆柱体，下端为长方体。长方体的上端面与弹簧的下端接触，弹簧14的上端与外壳1上的方形凹槽B的上端接触。放大后的超磁致伸缩棒7纵向位移通过波导杆15传递到外界。