一种基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微泵的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微泵，属于液压泵控制【技术领域】，包括：超磁致伸缩棒（4）、位于超磁致伸缩棒（4）周围由相变材料（3）、热补偿内套筒（5）和热补偿外套筒（6）组成的复合温度补偿控制装置、位于超磁致伸缩棒（4）右侧的无摩擦柔性铰链输出泵腔（17）、位于超磁致伸缩棒（4）左侧的预压螺钉（1）、位于柔性铰链输出杆（17）右侧的预压弹簧（9）。所述超磁致伸缩高精度高频微泵设有预压力机构、温度补偿机构、无摩擦柔性铰链输出机构，使用基于相变温控与双套补偿的复合温度补偿控制装置的超磁致伸缩转换器实现输出位移的精确定位，驱动柔性铰链输出杆变形，使得微泵实现高精度的吸排液流量。该微泵具有响应速度快、输出压力大、控制精度高等特点。
【专利说明】—种基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微泵【技术领域】
[0001]本发明涉及超磁致伸缩材料的应用，具体涉及一种基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微泵，属液压泵控制【技术领域】。 【背景技术】
[0002]传统液压泵通常采用电机驱动，使得液压泵结构复杂、体积较大，无法适应微小流量控制领域。与现有的微泵相比，目前主要是薄膜型微泵，其结构多采用薄片状驱动材料，通过手工粘贴等方式使得驱动材料粘附在振动薄膜上。这种型式结构简单，成本较低，但由于受驱动材料与振动薄膜连接工艺的影响，使得现有的各种薄膜型微泵具有输出功率小，输出压力小等缺点。因此现有的微泵难以满足高精度加工、航空航天、核工业等提出的响应速度快、输出压力大、频宽高等要求，故如何提高微泵的响应速度、输出压力、控制精度等已成为微泵的一个重要发展趋势。
[0003]在液压传动与控制系统中，利用新型功能材料研制高性能的驱动与控制等元件，一直是近年来国内外专家研究的热点之一，超磁致伸缩材料在液压控制元件中的应用尤其引人注目。超磁致伸缩材料是继稀土永磁，稀土磁光和稀土高温超导材料之后的又一种重要的新型功能材料，其被誉为21世纪的战略性材料。基于超磁致伸缩材料的新型转换器具有响应速度快、频宽高、输出位移大、结构相对简单和易于微型化等特点，利用其取代力马达，可提高微泵的响应速度和控制精度。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有微泵存在的输出功率小，输出压力小等缺陷，利用超磁致伸缩材料响应速度快、输出压力大、频宽高等优异性能，设计一种针对高精度间歇性工作环境的复合温度补偿超磁致伸缩转换器和无摩擦柔性铰链输出密封腔，提出了一种基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微泵，从而提高微泵的输出精度，简化微泵的结构，实现泵的微型化等。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]一种基于超磁致伸缩转换器的高频微泵，其结构特点在于:
[0007]由超磁致伸缩棒、位于超磁致伸缩棒周围的复合温度补偿控制装置、位于超磁致伸缩棒右端的无摩擦柔性铰链输出泵腔机构、位于超磁致伸缩棒左端的预压螺钉和柔性铰链输出杆右端的预压弹簧的预压装置、位于柔性铰链输出杆左端的超磁致伸缩转换器装置组成；
[0008]所述复合温度补偿控制装置包括左外端盖、蝶形弹簧1、左内端盖、蝶形弹簧2、热补偿内套筒、相变材料和热补偿外套筒。其中热补偿内套筒和热补偿外套筒通过细牙螺纹相连接，内部形成密封腔，在其内部充入相变材料，相变材料选取Na2SO4.IOH2O,Na2CO4.IOH2O, CH3COONa.3H20按一定比例配方，并用硼砂作过冷抑制剂，交联聚丙烯酸钠作分相防止剂。[0009]所述无摩擦柔性铰链输出泵腔机构包括柔性铰链输出杆、外壳和右端盖。外套与右端盖之间通过螺栓连接并配有O型密封毡圈，柔性铰链输出杆与外套过盈配合，以保证泵腔的密封性。后端盖上开两个圆孔分别与吸液单向阀和排液单向阀相接，实现泵的吸排液。
[0010]所述预压装置包括调节螺钉、左外端盖、蝶形弹簧1、左内端盖、蝶形弹簧2、柔性铰链输出杆和预压弹簧。调节螺钉与左外端盖过渡配合、与左内端盖采用螺纹连接。预压弹簧直接套在柔性铰链输出杆的端面杆上。
[0011]所述超磁致伸缩转换器装置包括沿调节螺钉的轴向位置依次有左外端盖、蝶形弹簧1、左内端盖、蝶形弹簧2、超磁致伸缩棒、柔性铰链输出杆、以及绕于超磁致伸缩棒周围的复合温度补偿控制装置、线圈架、驱动线圈、偏置线圈。温度补偿装置可沿超磁致伸缩棒左右滑动，在蝶形弹簧的作用下复位，实现热膨胀自动线补偿。
[0012]所述热补偿内套筒、热补偿外套筒和线圈架均采用导磁率较小的材料，以保证减少磁致伸缩棒上的磁漏，提高磁场的利用率。
[0013]所述调节螺钉、超磁致伸缩棒、柔性铰链输出杆、预压弹簧构成预压力机构。同时调节螺钉预紧力与预压弹簧预压力相等，在轴心方向上相互抵消。
[0014]所述柔性铰链输出杆凹口形状采用直圆和导圆混合型柔性铰链，并取材料为刚度系数偏小的UHMWPE材料。
[0015]所述右端盖在与外壳配合处设有一圆环凸台，便于安装定位以及有效减小泵腔空间，提高泵腔真空度，从而增大微泵的自吸液能力。
[0016]本发明与【背景技术】相比，具有的有益效果是:
[0017]1、提供了一种由超磁致伸缩转换器驱动的高精度高频微泵，其驱动部分采用新型的超磁致伸缩转换器取代传统的力矩马达，与传统力矩马达驱动的微泵相比，具有响应速度快、输出压力大、输出精度高等特点；
[0018]2、提供了一种新型超磁致伸缩转换器，该转换器具有复合温度补偿控制装置和预压力施加机构，超磁致伸缩转换器工作时产生的热量会被复合温度补偿控制装置吸收并冷却，同时在一定的预压力下，能使得超磁致伸缩棒工作在线性段内并增大磁致伸缩系数；
[0019]3、提供了一种由相变温控与双套补偿组合的复合式温度补偿控制装置，该装置在相变温控下能吸收超磁致伸缩棒的热量，在超过相变材料的工作时长时，自动热补偿套筒可以对超磁致伸缩棒的热变形自动进行实时补偿；
[0020]4、提供了一种无摩擦柔性铰链输出泵腔机构，该机构在柔性铰链输出杆与外套过盈配合并在右端盖的定位作用下，接触面能保持相互静止，柔性铰链中间部分在超磁致伸缩棒的推动下产生应力变形，该混合型柔性铰链适应高精度、大位移场合，实现微泵的吸排液；因此本发明可应用于高控制精度、高频率响应、微小空间场合的液压泵控制系统中。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明的结构原理示意图。
[0022]图2为图1中柔性铰链输出杆的结构示意图。
[0023]图中:1、调节螺钉，2、蝶形弹簧1，3、相变材料，4、超磁致伸缩棒，5、热补偿内套筒，6、热补偿外套筒，7、驱动线圈，8、线圈骨架，9、预压弹簧，10、右端盖，11、O型密封毡圈，12、排油单向阀，13、负载，14、油箱，15、吸油单向阀，16、右端盖螺栓，17、柔性铰链输出杆，18、外壳，19、偏置线圈，20、蝶形弹簧2，21、左内端盖，22、左外端盖，23、左端盖螺栓。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0025]如附图1所示，基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微泵主要由包括超磁致伸缩棒、位于超磁致伸缩棒周围的复合温度补偿控制装置、位于超磁致伸缩棒右端的无摩擦柔性铰链输出泵腔机构、位于超磁致伸缩棒左端的预压螺钉和柔性铰链输出杆右端的预压弹簧的预压装置、位于柔性铰链输出杆左端的超磁致伸缩转换器装置。
[0026]所述超磁致伸缩转换器的作用是将输入的电流信号转换成输出位移，其包括沿调节螺钉的轴向位置依次有左外端盖、蝶形弹簧1、左内端盖、蝶形弹簧2、超磁致伸缩棒、柔性铰链输出杆、以及绕于超磁致伸缩棒周围的温度补偿装置、线圈架、驱动线圈、偏置线圈。其中调节螺钉与左内端盖通过细牙螺纹连接，与左外端盖间隙配合。
[0027]所述复合温度补偿控制装置由左外端盖、蝶形弹簧1、左内端盖、蝶形弹簧2、热补偿内套筒、相变材料和热补偿外套筒组成。其中热补偿内套筒和热补偿外套筒通过细牙螺纹相连接，内部形成密封腔，在其内部充入相变材料。
[0028]所述无摩擦柔性铰链输出泵腔机构包括柔性铰链输出杆、外壳和右端盖。外套与右端盖之间通过螺栓连接并配有O型密封毡圈，柔性铰链输出杆与外套过盈配合，以保证泵腔的密封性。后端盖上开两个圆孔分别与吸液单向阀和排液单向阀相接，实现泵的吸排液。
[0029]所述预压装置包括调节螺钉、左外端盖、蝶形弹簧1、左内端盖、蝶形弹簧2、柔性铰链输出杆和预压弹簧。调节螺钉与左外端盖过渡配合、与左内端盖采用螺纹连接。预压弹簧直接套在柔性铰链输出杆的端面杆上。
[0030]如附图1所示，基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微泵提供了微泵的新型结构形式，并提供了解决微泵超磁致伸缩转换器温度升高、预压力施加以及输出杆的摩擦等关键技术问题的新方法，具体方法如下所述:
[0031]超磁致伸缩转换器的复合温度补偿控制装置如附图1所示，在超磁致伸缩棒周围设有两个热补偿套筒，两者通过细牙螺纹连接内部行成密封空间，并在其中充入相变材料。热补偿套筒采用铁基材料制成，与超磁致伸缩材料的热膨胀系数相等。在超过相变材料工作时长时，热补偿套筒会进行自动热补偿。
[0032]超磁致伸缩转换器的预压装置如附图1所示，包括调节螺钉、左外端盖、蝶形弹簧
1、左内端盖、蝶形弹簧2、柔性铰链输出杆和预压弹簧。调节螺钉与左外端盖过渡配合、与左内端盖采用螺纹连接，预压弹簧直接套在柔性铰链输出杆的端面杆上。使超磁致伸缩棒工作在线性段，同时使得调节螺钉的预紧力与预压弹簧的预压力大小相等、方向相反，在轴线上相互抵消。
[0033]高频微泵的无摩擦柔性铰链输出泵腔机构如附图1所示，包括柔性铰链输出杆、外壳和右端盖。右端盖在与外壳配合处设有一圆环凸台，便于安装以及有效减小泵腔空间，提高泵腔真空度，从而增大微泵的自吸液能力。外套与右端盖之间通过螺栓连接并配有O型密封毡圈，柔性铰链输出杆与外套过盈配合，以保证泵腔的密封性。后端盖上开两个圆孔分别与吸液单向阀和排液单向阀相接，实现泵的吸排液。
[0034]超磁致伸缩转换器闭合磁路如附图1所示，闭合磁路由调节螺钉、左内端盖、夕卜套、柔性铰链输出杆、超磁致伸缩棒组成，其材均采用磁导率较高的不锈钢材料，同时，热补偿内外套筒、线圈骨架均采用磁导率较低的材料制成，这样能够有效减小磁漏，提高磁场的利用率。线圈的长度是超磁致伸缩棒的1.1倍，有利于提高磁场的均匀性。
[0035]柔性铰链输出杆凹口形状如附图1所示,采用直圆和导圆混合型柔性铰链,并取材料为刚度系数偏小的UHMWPE材料。该形状柔性铰链能更好的适应高精度、大流量场合。
[0036]基于超磁致伸缩转换器的高频微泵的工作原理如附图1所示，首先旋转调节螺钉，使得调节螺钉的预紧力与预压弹簧的预压力相等，保证柔性铰链无变形，同时超磁致伸缩棒也处在线性工作段；然后给偏置线圈输入一定的直流电以消除倍频现象；然后给驱动线圈通电使其工作。
[0037]微泵正常工作时，通过调节超磁致伸缩转换器的驱动电流大小来改变超磁致伸缩棒驱动磁场的强弱，从而控制超磁致伸缩转换器的输出位移，该位移推动柔性铰链输出杆实现泵腔的体积周期变化。当驱动电流增大时，驱动磁场增大，超磁致伸缩转换器的输出位移增大,柔性铰链输出杆的的变形增大，输出流量增大；当驱动电流减小时，驱动磁场减小，超次置身转换器的输出位移减小，柔性铰链输出杆的变形减小，输出流量相应减小。断电时超磁致伸缩棒停止变形，柔性铰链输出杆恢复到原形，无流量变化。工作过程中驱动线圈和偏置线圈产生热量，由复合温度补偿控制装置吸收和阻隔，避免其影响超磁致伸缩棒导致热变形，影响其控制精度。
【权利要求】
1.一种基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微泵，其特征在于: 包括超磁致伸缩棒(4)、位于超磁致伸缩棒(4)周围的复合温度补偿控制装置、位于超磁致伸缩棒(4)右端的无摩擦柔性铰链输出泵腔机构、位于超磁致伸缩棒(4)左端的预压螺钉和柔性铰链输出杆右端的预压弹簧的预压装置、位于柔性铰链输出杆(17)左端的超磁致伸缩转换器装置。 所述复合温度补偿控制装置包括左外端盖(22)、蝶形弹簧I (2)、左内端盖(21)、蝶形弹簧2 (20)、热补偿内套筒(5)、相变材料(3)和热补偿外套筒(6)。其中热补偿内套筒(5)和热补偿外套筒(6)通过细牙螺纹相连接，内部形成密封腔，在其内部充入相变材料(3)。 所述无摩擦柔性铰链输出泵腔机构包括柔性铰链输出杆(17)、外壳(18)和右端盖(10)。外套(18)与右端盖(10)之间通过螺栓连接并配有O型密封毡圈(11)，柔性铰链输出杆(17)与外套(18)过盈配合，以保证泵腔的密封性。后端盖(10)上开两个圆孔分别与吸液单向阀(15)和排液单向阀(12)相接，实现泵的吸排液工作。 所述预压装置包括调节螺钉(I)、左外端盖(22)、蝶形弹簧I (2)、左内端盖(21)、蝶形弹簧2 (20)、柔性铰链输出杆(17)和预压弹簧(9)。调节螺钉(I)与左外端盖(22)间隙配合、与左内端盖(21)采用螺纹连接。预压弹簧(9)直接套在柔性铰链输出杆(17)的端面杆上。 所述超磁致伸缩转换器装置包括沿调节螺钉(I)的轴向位置依次有左外端盖(22)、蝶形弹簧I (2)、左内端盖(21)、蝶形弹簧2 (20)、超磁致伸缩棒(4)、柔性铰链输出杆(17)、以及绕于超磁致伸缩棒周围的温度补偿装置、线圈架(8)、驱动线圈(7)、偏置线圈(19)。温度补偿装置可沿超磁致伸缩棒(4 )左右滑动，实现热膨胀自动线补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微泵，其特征在于:所述左外端盖(22)、蝶形弹簧I (2)、左内端盖(21)、蝶形弹簧2 (20)、热补偿内套筒(5)、相变材料(3)、热补偿外套筒(6)构成复合温度补偿控制装置。
3.根据权利要求1所述的一种基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微泵，其特征在于:所述热补偿内套筒(5)和热补偿外套筒(6)采用与超磁致伸缩棒(4)热膨胀系数相等的铁基材料，热补偿内套筒(5)和热补偿外套筒(6)的热膨胀系数和长度的乘积等于超磁致伸缩棒(4)的热膨胀系数和长度的乘积。
4.根据权利要求1所述的一种基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微泵，其特征在于: 所述调节螺钉(I)、左内端盖(21)、外壳(18)、柔性铰链输出杆(17)和超磁致伸缩棒(4)构成闭合磁路；热补偿内套筒(5)和热补偿外套筒(6)采用导磁率小的材料，以保证减少磁致伸缩棒(4)的磁漏。
5.根据权利要求1所述的一种基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微泵，其特征在于:所述调节螺钉(I)、超磁致伸缩棒(4)、柔性铰链输出杆(17)、预压弹簧(9)构成预压力机构。同时调节螺钉(I)施加力与预压弹簧(9)施加力相等，在轴方向上相互抵消。
6.根据权利要求1所述的一种基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微泵，其特征在于:所述柔性铰链输出杆(17)、外壳(18)和右端盖(10)构成无摩擦柔性铰链输出泵腔机构；其中柔性铰链输出杆(17)凹口形状采用直圆和导圆角混合型柔性铰链，并取材料为刚度系数不大的UHMWPE材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于超磁致伸缩转换器的高精度高频微泵，其特征在于:所述右 端盖(10)设有圆环凸台，既有利于对柔性铰链的定位，也有利于减小泵腔空间，提高泵腔的真空度。
【文档编号】F04B49/06GK103603793SQ201310535623
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月1日 优先权日:2013年11月1日
【发明者】王传礼, 田冬林, 邓海顺, 邱大龙, 寇旗旗, 何涛 申请人:安徽理工大学