專利名稱：全閉合電磁偏置微位移執(zhí)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
全閉合電磁偏置微位移執(zhí)行器技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明涉及一種全閉合電磁偏置微位移執(zhí)行器，該系統(tǒng)基于超磁致伸縮材料電磁 參數(shù)與機(jī)械參數(shù)間能夠?qū)崿F(xiàn)精確轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，以偏置磁場確定執(zhí)行器工作點(diǎn)并通過激勵磁 場使執(zhí)行器獲得精確輸出，從而為精密機(jī)械加工或測量裝置輸出精確直線位移，以提高加 工或測量精度。本發(fā)明可以精確的調(diào)節(jié)超磁致伸縮棒的靜態(tài)工作點(diǎn)并通過導(dǎo)磁管壁提高工 作磁場強(qiáng)度，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、輸出精度高、維護(hù)方便和操作靈活的特點(diǎn)。
背景技術(shù)：
[0002]磁致伸縮是指在交變磁場的作用下，物體產(chǎn)生與交變磁場頻率相同的機(jī)械振動； 或者相反，在拉伸、壓縮力作用下，由于材料的長度發(fā)生變化，使材料內(nèi)部磁通密度相應(yīng)地 發(fā)生變化，在線圈中感應(yīng)電流，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。工程上利用該特性實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之 間的相互轉(zhuǎn)換。人們不斷采用新型功能材料和新型工作原理來提高精密驅(qū)動及其控制技術(shù) 的水平，而超磁致伸縮執(zhí)行器是以新型功能材料作為致動元件的一類微位移執(zhí)行器，具有 輸出位移和力大、響應(yīng)速度快、溫度范圍寬、低壓可操作等突出優(yōu)點(diǎn)，已在超精密加工、流體 控制機(jī)械、微調(diào)節(jié)與微補(bǔ)償機(jī)構(gòu)及納米技術(shù)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，顯示出巨大的發(fā)展 潛力。[0003]本發(fā)明主要利用超磁致伸縮材料自身可實(shí)現(xiàn)電磁能與機(jī)械能高效相互轉(zhuǎn)換的特 點(diǎn)，以偏置磁場確定執(zhí)行器工作點(diǎn)并通過激勵磁場使執(zhí)行器獲得精確輸出，從而為精密機(jī) 械加工或測量裝置輸出精確直線位移，以提高加工或測量精度，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、 輸出精度高、維護(hù)方便和操作靈活的特點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，以外部電磁場確定超磁致伸縮材料的靜態(tài)工作 點(diǎn)，以閉合導(dǎo)磁管壁增強(qiáng)工作材料的磁場強(qiáng)度，從而以較小的能量獲得精確、可靠的位移輸 出，從而為精密機(jī)械加工或測量裝置輸出精確直線位移，以提高加工或測量精度。[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是全閉合電磁偏置微位移執(zhí)行器，包括有超磁致伸 縮棒(5) —端通過固定端(7)固定使得該端位移為零，另一端連接輸出端(8)使得該端可 以實(shí)現(xiàn)任意微小的軸向位移輸出，激勵電源(I)連接有激勵線圈(2)，并向超磁致伸縮棒(5)提供交變功率，偏置電源(3)連接有偏置線圈(4)并向超磁致伸縮棒(5)直流偏置磁場 以調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)，同時外部漏磁場通過導(dǎo)磁管壁出)閉合。[0006]所述的激勵電源⑴與偏置電源(3)利用負(fù)反饋原理，以輸出電壓的變化量控制 晶體管集電極與發(fā)射極之間的電阻值。當(dāng)調(diào)整晶體管Vn時，220V交流電壓經(jīng)變壓器降壓 后，再經(jīng)整流濾波電路轉(zhuǎn)換成直流Uin，加在調(diào)整管與負(fù)載兩端。電阻R' i、電阻R' 2和電 阻R3 (R3 = R31+R32)組成分壓器，用來測量輸出電壓Uwt，穩(wěn)壓二極管Vd為產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓的硅 穩(wěn)壓管，R4為其限流電阻。晶閘管Vt2組成的放大器起比較和放大的作用，R。為其集電極電 阻。晶閘管Vt2集電極的輸出直接加到晶閘管Vn的基極，改變其(3、6極間的電阻。激勵電源(I)與偏置電源(3) 二者獨(dú)立工作，前者提供材料的激勵磁場以實(shí)現(xiàn)位移輸出，后者提供材料的偏置磁場以確定材料的靜態(tài)工作點(diǎn)。[0007]所述的激勵線圈(2)與偏置線圈(4)是由線徑較細(xì)的無氧銅漆包線密繞在線圈骨架上形成的空心電感線圈，激勵線圈(2)緊貼超磁致伸縮棒(5)，偏置線圈(4)在激勵線圈(2)外側(cè)，二者同軸并繞，緊密的將超磁致伸縮棒(5)包圍起來。[0008]所述的超磁致伸縮棒(5)由超磁致伸縮材料根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境要求加工而成，其橫截面為圓形，同時要求材料具有一定的抗拉、抗壓強(qiáng)度。[0009]所述的導(dǎo)磁管壁￠)由高導(dǎo)磁率鐵磁材料加工成圓筒形狀制造而成，主要負(fù)責(zé)疏導(dǎo)漏磁通的作用，從而使系統(tǒng)整體磁阻降低，一方面降低電源的供電容量，另一方面使超磁致伸縮棒(5)處于均勻且具備一定強(qiáng)度的磁場中以提高精度。[0010]本發(fā)明的全閉合電磁偏置微位移執(zhí)行器，利用超磁致伸縮材料自身可實(shí)現(xiàn)電磁能與機(jī)械能高效相互轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，使用偏置磁場確定超磁致伸縮材料的靜態(tài)工作點(diǎn)，并通過勵磁磁場使其產(chǎn)生精確位移，為了使超磁致伸縮材料處于均勻且具備一定強(qiáng)度的磁場中， 本裝置采用了全閉合磁路結(jié)構(gòu)以降低磁阻。


[0011]圖I是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)原理圖；[0012]圖2是激勵電源⑴與偏置電源(3)的電路原理圖；[0013]圖3是全閉合磁路中超磁致伸縮棒的工作原理圖；[0014]圖4是超磁致伸縮致動器各部分關(guān)系的示意圖；[0015]其中[0016](I):激勵電源；(2):激勵線圈；(3):偏置電源；(4):偏置線圈；(5):超磁致伸縮棒；(6):導(dǎo)磁管壁；(7):固定端·；(8):輸出端。[0017]CpC2Jjt波電容C3 :基極電容 Uin:輸入電壓Urat:輸出電壓[0018]VT1，Vn :調(diào)整晶閘管VD:穩(wěn)壓二極管Rc:基極電阻 R4:限流電阻[0019]R1, R2, Ri 1;R' 2, R31, R32 :分壓電阻具體實(shí)施方式
[0020]下面結(jié)合實(shí)例和附圖對本發(fā)明的全閉合電磁偏置微位移執(zhí)行器做出詳細(xì)說明。[0021]如圖I所示，本發(fā)明的全閉合電磁偏置微位移執(zhí)行器，包括有激勵電源(I);激勵線圈⑵；偏置電源⑶；偏置線圈⑷；超磁致伸縮棒(5);導(dǎo)磁管壁(6);固定端(7);輸出端⑶。[0022]如圖2所示，所述的激勵電源⑴與偏置電源(3)利用負(fù)反饋原理，以輸出電壓的變化量控制晶體管集電極與發(fā)射極之間的電阻值；晶閘管Vn基極連接基極電容C3,晶閘管 Vn集電極連接電阻R4與電阻R。，其中電阻R。接晶閘管Vt2發(fā)射極后與集電極與電阻R4及反接的二極管VD相連接，電阻R' i、電阻R' 2和電阻R3串聯(lián)后與電容C2及電阻&并聯(lián)； 當(dāng)調(diào)整晶體管Vn時，220V交流電壓經(jīng)變壓器降壓后，再經(jīng)整流濾波電路轉(zhuǎn)換成直流Uin,加在調(diào)整管與負(fù)載兩端；電阻R' i、電阻R' 2和電阻R3，其中電阻R3 = R31+R32，組成分壓器， 用來測量輸出電壓Uout 二極管Vd為產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓的硅穩(wěn)壓管，R4為其限流電阻；晶閘管Vt2組成的放大器起比較和放大的作用，R。為其集電極電阻；\2集電極的輸出直接加到晶閘管 Vn的基極，改變其c、e極間的電阻；激勵電源(I)與偏置電源(3) 二者獨(dú)立工作，前者提供 材料的激勵磁場以實(shí)現(xiàn)位移輸出，后者提供材料的偏置磁場以確定材料的靜態(tài)工作點(diǎn)。[0023]如圖3所示，所述的超磁致伸縮棒(5)處于導(dǎo)磁管壁(6)中央，當(dāng)激勵電源⑴與 偏置電源(3)工作時，由激勵線圈(2)與偏置線圈(4)共同產(chǎn)生的磁場將同時的且均勻的 作用于超磁致伸縮棒(5)。超磁致伸縮棒(5)在磁場中產(chǎn)生磁致伸縮現(xiàn)象，使材料在軸向長 度上發(fā)生伸長或縮短的變化，從而產(chǎn)生機(jī)械變形。[0024]如圖4所示，所述的導(dǎo)磁管壁(6)通過高導(dǎo)磁材料制成閉合形式，當(dāng)激勵線圈(2) 與偏置線圈(4)工作時，使超磁致伸縮棒(5)之外的磁力線通過導(dǎo)磁管壁(6)閉合，從而降 低了整個回路的磁阻。同時該系統(tǒng)通過固定端(7)進(jìn)行固定，在超磁致伸縮棒(5)發(fā)生軸 向形變后，該形變將傳導(dǎo)至輸出端(8)，并由后者實(shí)現(xiàn)最終的位移輸出。[0025]本發(fā)明的全閉合電磁偏置微位移執(zhí)行器，當(dāng)系統(tǒng)開始工作前，首先根據(jù)超磁致伸 縮材料的特性曲線確定偏置電源(3)的輸出電壓大小，當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，啟動激勵電源(I)并由激勵線圈(2)產(chǎn)生激勵磁場，超磁致伸縮棒(5)在磁場中產(chǎn)生磁致伸縮現(xiàn)象，使材 料在軸向長度上發(fā)生伸長或縮短的變化，從而產(chǎn)生機(jī)械變形，該變形最終由輸出端(8)實(shí) 現(xiàn)精確的位移輸出。
權(quán)利要求1.全閉合電磁偏置微位移執(zhí)行器，其特征在于包括有超磁致伸縮棒(5)—端通過固定端(7)固定使得該端位移為零，另一端連接輸出端(8)使得該端可以實(shí)現(xiàn)任意微小的軸向位移輸出，激勵電源(I)連接有激勵線圈(2)，并向超磁致伸縮棒(5)提供交變功率，偏置電源⑶連接有偏置線圈⑷并向超磁致伸縮棒(5)直流偏置磁場以調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)，同時外部漏磁場通過導(dǎo)磁管壁￠)閉合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全閉合電磁偏置微位移執(zhí)行器，其特征還在于，所述的導(dǎo)磁管壁￠)由高導(dǎo)磁率鐵磁材料加工成圓筒形狀制造而成，主要負(fù)責(zé)疏導(dǎo)漏磁通的作用，從而使系統(tǒng)整體磁阻降低，一方面降低電源的供電容量，另一方面使超磁致伸縮棒(5)處于均勻且具備一定強(qiáng)度的磁場中以提高輸出精度。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種全閉合電磁偏置微位移執(zhí)行器，該系統(tǒng)基于超磁致伸縮材料電磁參數(shù)與機(jī)械參數(shù)間能夠?qū)崿F(xiàn)精確轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，以偏置磁場確定執(zhí)行器工作點(diǎn)并通過激勵磁場使執(zhí)行器獲得精確輸出，從而為精密機(jī)械加工或測量裝置輸出精確直線位移，以提高加工或測量精度。本實(shí)用新型可以精確的調(diào)節(jié)超磁致伸縮棒的靜態(tài)工作點(diǎn)并通過導(dǎo)磁管壁提高工作磁場強(qiáng)度，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、輸出精度高、維護(hù)方便和操作靈活的特點(diǎn)，主要包括激勵電源(1)；激勵線圈(2)；偏置電源(3)；偏置線圈(4)；超磁致伸縮棒(5)；導(dǎo)磁管壁(6)；固定端(7)；輸出端(8)。
文檔編號H02N2/02GK202818152SQ201220251260
公開日2013年3月20日 申請日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者張獻(xiàn), 楊慶新, 李勁松, 金亮, 李陽 申請人:天津工業(yè)大學(xué)