专利名称：用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动的液压泵的制作方法
技术领域：
本发明是利用稀土超磁致伸缩材料在磁场中的大磁致伸缩特性制作致动器、即RE-GMM致动器，并用此致动器直接驱动液压泵。本发明中的RE-GMM致动器可广泛应用于高精度阀门、燃料注入阀、高精度位移控制等精密机电控制系统。适用于海底、地下等维护不便的液压系统中。
背景技术：
公知铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩。TbFe2、SmFe2、DyFe2、HoFe2、TbDyFe2(铽铁、钐铁、镝铁、钬铁、铽镝铁)等稀土-铁系化合物不仅磁致伸缩值高，而且居里点高于室温，室温磁致伸缩值为1000～2500×10-6，是传统磁致伸缩材料如铁、镍等的10～100倍，这类材料被称为稀土超磁致伸缩材料(RearEarth Giant magnetostrictive materials，缩写为RE-GMM)。目前人们虽然认识到该种材料的应用价值，但许多领域还未得到充分开发。
而驱动液压泵，通常采用普通三相交流电动机，但该驱动方式主要不足是液压泵结构复杂控制方式单一，不易于实现数字控制。
发明内容
本发明的目的是用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动液压泵，致动器与液压泵做成一体，结构简单，可靠性高，克服现有技术中的不足。
本发明的技术方案如图1-图2所示，用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动的液压泵部分包括有液压泵缸体，缸体内驱动活塞13，及密封件11；液压泵缸体是由缸体前端盖8、缸体后端盖15和缸体12按公知技术组合构成，本发明的特征在于，用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动的液压泵由致动器J1和液压泵J2两部分组成，液压泵的缸体前端盖8与致动器J1的外壳套3用公知技术连接；致动器部分包括有致动器J1的外壳套3，与外壳套3连接的外端盖2，致动器腔体内设置的、稀土超磁致伸缩材料制作的磁致伸缩棒7，磁致伸缩棒7两端连接的推杆9及与之接触的传力球10，紧靠致动器J1腔体内壁设置的导磁套4形成磁回路，导磁套4和磁致伸缩棒7之间设置的隔磁套6，及闭合磁回路4和隔磁套6之间的空腔内设置的、按公知技术与外部实现电连接的、可通交变电流的螺线管5；磁致伸缩棒7的端位移和输出力通过推杆9和传力球10驱动活塞13。
所述的用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动的液压泵，在缸体后端盖15和驱动活塞13之间嵌有对磁致伸缩棒7施加预压力的蝶形弹簧14，致动器外端盖2设置有按公知技术连接的调节预压力的螺栓1。
所述的用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动的液压泵，传力球10与致动器腔体内设置的推杆9和液压泵活塞13端面相接触的面为锥面。
所述的用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动的液压泵，采用了TbDyFe，即铽镝铁合金棒材料制作的磁致伸缩棒7；采用了聚四氟乙烯制作的隔磁套6，采用了Ni50材料制作导磁套4和推杆9。
所述的用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动的液压泵，致动器液压泵的缸体前端盖8与致动器J1的外壳套3用公知技术连接，后端盖15与致动器J1′的外壳套3用公知技术连接后，其中致动器J1外端盖2设置有按公知技术连接的调节预压力的螺栓1，使液压泵J2与其两端各连接的致动器组合成双致动器驱动双作用结构的液压泵。双致动器驱动是由两个RE-GMM致动器交替伸缩，驱动活塞往复运动，两容腔输出高压液体，可以获得较高压力与较大流量。
本发明中的RE-GMM致动器是一种新型的电—机械转换装置。其工作原理是，利用稀土超磁致伸缩材料(Rear Earth Giant magnetostrictive materials，缩写为RE-GMSM)铽镝铁(TbDyFe2)在磁场中的大磁致伸缩特性，获得足够的输出位移与输出力，驱动负载。RE-GMM致动器可取代力马达、力矩马达、步进电机、伺服电机、压电陶瓷，输出高精度、高响应、高可靠性的位移和力，并可直接与计算机联结实现数字控制，广泛应用于高精度位移、力控制的精密机电控制元件与系统中。
用RE-GMM致动器直接驱动液压泵不需位移放大和力放大，简化了泵结构，拓展了泵的应用领域与工作方式，本发明适用于海底、地下等维护不便的液压系统中。
图1本发明的单致动器驱动液压泵结构示意图1、螺栓2、外端盖3、外壳套4、导磁套5、螺线管6、隔磁套7、磁致伸缩棒8、缸体前端盖9、推杆10、传力球11、密封件12、缸体13、活塞14、蝶形弹簧15、缸体后端盖J2、液压泵J1、致动器V1、V2活塞式泵缸体的两个工作容腔；图2本发明的双致动器驱动双作用液压泵的结构示意图J1、连接有调节预压力螺栓1的致动器J1′、致动器图3本发明的双致动器驱动双作用液压泵示意图，内部结构如图2所示图4本发明的单致动器驱动双作用液压泵示意图，内部结构如图1所示图5本发明的单致动器驱动单作用液压泵示意图，内部结构如图1所示
具体实施例方式本发明可结合附图1-图2采用常规机加工技术进行安装。根据图1，RE-GMM致动器中的磁致伸缩棒7使用材料为TbDyFe合金棒，即铽镝铁合金棒材料制作的磁致伸缩棒。TbDyFe棒能量密度大，电—机耦合因数高，输出力大，变形位移大，其磁致伸缩率λ0高达1600×10-6，是传统磁致伸缩材料Ni的30倍，是电致伸缩材料压电陶瓷的3～5倍。TbDyFe合金变形位移响应快，一般小于1ms；频率响应宽，在1000Hz范围内有稳定输出；TbDyFe棒位移输出准确可靠，位移精度为10-1μm，最佳可达纳米级。用于致动器中的TbDyFe材料产生的是机械效应，一般工作在低于0.2KHz低频段，若与负载连接，实际工作频率不高于50Hz，接近TbDyFe材料静特性，并且一般工作温度不应高于150℃。致动器工作频率为RE-GMM的低频段，当f＝fr(机械共振频率时)TbDyFe有较高的机电耦合系数和恒定的响应。本发明中也可采用TbFe2、SmFe2、DyFe2、HoFe2(铽铁、钐铁、镝铁、钬铁)等稀土—铁系化合物制作磁致伸缩棒7。交变电流通过螺线管5产生交变电磁场，在磁场中磁致伸缩棒7周期性的伸缩运动，通过推杆9和传力球10驱动活塞13。蝶形弹簧14用于对磁致伸缩棒7施加一个预压力，以利于提高其伸缩率并保证不承受弯矩，预压力可由螺栓1调节。由高导磁材料组成的导磁套4可使电流产生的磁动势最大限度地作用于磁致伸缩棒。隔磁套6既有隔磁作用又可对伸缩棒起一定保护、隔热作用。伸缩棒两端面有较高的平行度，并通过传力球球10与锥面传递输出力，以保证伸缩棒应力均衡，可以自由伸缩但不受拉、受弯。
本发明中RE-GMM致动器J1和液压泵J2通过高强度的螺栓连接。泵J2为活塞式结构，RE-GMM棒的端位移和输出力通过推杆9和传力球驱动活塞13，活塞式泵缸体有两个工作容腔V1、V2，可交替实现吸、压油。本发明制作的RE-GMM致动器工作电压低，只需几伏至几十伏。本发明最大工作电压60V，电流2.5A，设计输出位移0.12mm，输出力150kN。泵输出流量为kVf(其中k-作用数，双作用取2、单作用取1，V-一次工作压油体积，f-工作频率)。
本发明的双致动器驱动双作用结构的液压泵的结构如图2所示。致动器液压泵的两端分别与致动器J1和致动器J1′采用公知技术连接后，其中致动器J1设置有按公知技术连接的调节预压力的螺栓1，使液压泵J2与其两端各连接的致动器组合成双致动器驱动双作用结构的液压泵。双致动器驱动是由两个RE-GMM致动器交替伸缩，驱动活塞往复运动，两容腔输出高压液体，可以获得较高压力与较大流量。
本发明中致动器外端盖2、泵缸体8、12、15采用等高强度材料；泵缸体为三体结构，用螺杆连接，并保证连接刚度。缸体的无效容积很小，等效体积弹性模量高，既可降低因变形导致的容积损失，又能有效提高泵的工作频率。密封件11可承受高频往复运动，摩擦力低，活塞往返运动的死区小，且严格限制内泄漏，保证有足够的使用寿命。
本发明的RE-GMM致动器直接驱动的液压泵可以作为以下几种应用方式实施，采用如图2与图3所示的双致动器驱动双作用结构；如图1与图4所示的单致动器驱动双作用结构；如图1与图5所示的单致动器驱动单作用结构三种型式。这三种方案所采用泵的吸压配流分别由公知技术中的阀组16和17实现。
以上RE-GMM致动器直接驱动的液压泵几种应用方式达到的效果说明如下单致动器驱动双作用结构的液压泵(见图1)，使用一个RE-GMM致动器J1，磁致伸缩棒7在线圈磁场作用下伸长，推动活塞13右移，V2腔压出高压液体，V1腔吸入低压液体；当电磁线圈断电时，磁致伸缩棒7缩回，弹簧14推动活塞13左移，V1腔压出高压液体，V2腔吸入低压液体。单致动器驱动双作用方案，由一个致动器驱动，双向压油，见图4。这种型式可取得不损失流量的效果。单致动器驱动单作用结构的液压泵结构与单致动器驱动双作用结构的液压泵相同(见图1)，RE-GMM致动器伸长时压缩容腔V2压出液体，但弹簧14推动活塞13左移时V1腔不工作，输出流量为上述两种方案(图3、图4所示)之半，见图5。由于弹簧压缩V1腔时不输出流体，输出液体压力由RE-GMM致动器决定，可得到高压流体输出的效果。
权利要求
1.用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动的液压泵，包括有液压泵缸体，缸体内驱动活塞(13)，及密封件(11)，液压泵缸体是由缸体前端盖(8)、缸体后端盖(15)和缸体(12)按公知技术组合构成，本发明的特征在于，用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动的液压泵由致动器(J1)和液压泵(J2)两部分组成，液压泵的缸体前端盖(8)与致动器(J1)的外壳套(3)用公知技术连接；致动器部分包括有致动器(J1)的外壳套(3)，与外壳套(3)连接的外端盖(2)，致动器腔体内设置的、稀土超磁致伸缩材料制作的磁致伸缩棒(7)，磁致伸缩棒(7)两端连接的推杆(9)及与之接触的传力球(10)，紧靠致动器(J1)腔体内壁设置的导磁套(4)形成闭合磁回路，导磁套(4)和磁致伸缩棒(7)之间设置的隔磁套(6)，及闭合磁回路和隔磁套(6)之间的空腔内设置的、按公知技术与外部实现电连接的、可通交变电流的螺线管(5)；磁致伸缩棒(7)的端位移和输出力通过推杆(9)和传力球(10)驱动活塞(13)。
2.根据权利要求1所述的用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动的液压泵，其特征在于，在缸体后端盖(15)和驱动活塞(13)之间嵌有对磁致伸缩棒(7)施加预压力的蝶形弹簧(14)，致动器外端盖(2)设置有按公知技术连接的调节预压力的螺栓(1)。
3.根据权利要求1或2所述的用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动的液压泵，其特征在于，传力球(10)与致动器腔体内设置的推杆(9)和液压泵活塞(13)端面相接触的面为锥面。
4.根据权利要求1或2所述的用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动的液压泵，其特征在于，采用了TbDyFe，即铽镝铁合金棒材料制作的磁致伸缩棒(7)；采用了聚四氟乙烯制作的隔磁板(6)，采用了Ni50材料制作导磁套(4)和推杆(9)。
5.根据权利要求1或2所述的用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动的液压泵，其特征在于，致动器液压泵的缸体前端盖(8)与致动器(J1)的外壳套(3)用公知技术连接，后端盖(15)与致动器(J1′)的外壳套(3)用公知技术连接后，其中致动器(J1)外端盖(2)设置有按公知技术连接的调节预压力的螺栓(1)，使液压泵(J2)与其两端各连接的致动器组合成双致动器驱动双作用结构的液压泵。
全文摘要
用稀土超磁致伸缩材料制作的致动器直接驱动的液压泵，适用于液压系统中。特征在于，液压泵的缸体前端盖(8)与致动器的外壳套连接后，使该泵的驱动部分致动器(J1)和液压泵(J2)做成一体；致动器包括有外壳套(3)，外端盖(2)，置于致动器腔体内的稀土超磁致伸缩材料制作的磁致伸缩棒(7)，磁致伸缩棒两端连接的推杆(9)与传力球(10)，导磁套(4)、隔磁套(6)、及可通交变电流的螺线管(5)；驱动活塞(13)间嵌有施加预压力的蝶形弹簧(14)，致动器上设置的螺栓(1)调节预压力；工作时利用磁致伸缩棒的伸缩变形通过推杆和传力球驱动活塞。本发明可制成双致动器驱动双作用、单致动器驱动单作用和单致动器驱动双作用三种结构，具有响应快、精度高，可实现数字控制等特点。
文档编号F04B17/04GK1570381SQ200410037378
公开日2005年1月26日 申请日期2004年4月30日 优先权日2004年4月30日
发明者黄迷梅 申请人:北京联合大学