專利名稱：一種單驅(qū)雙向旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微型馬達領(lǐng)域，特別是涉及ー種單驅(qū)雙向旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機。
背景技術(shù)：
微型電機驅(qū)動元件的材料主要有壓電材料、形狀記憶合金、電致流變(ER)材料和超磁致伸縮材料。在這些驅(qū)動元件材料中，壓電材料為驅(qū)動元件的微型電機和作動器的研究開發(fā)和應(yīng)用比較成熟。與其它驅(qū)動元件材料相比，超磁致伸縮材料具有大應(yīng)カ負載、大應(yīng)變(壓電材料5-8倍)、無疲勞極限、高磁(電)-機械轉(zhuǎn)換效率(耦合系數(shù)達0. 75)、響應(yīng)速度快(< I U s)和低電壓驅(qū)動等特點，其非常的適合作為微作動器的驅(qū)動元件。
在中國專利申請公開說明書中，CN102013834A、CN102005967A和 CN102005966A中針對已有的旋轉(zhuǎn)型壓電電機為了實現(xiàn)雙向控制驅(qū)動，往往需要兩套壓電片和兩路驅(qū)動信號，并配合設(shè)計空間上相位差來實現(xiàn)這個問題，分別提出了基于邊界條件的單驅(qū)雙向壓電馬達、頻率控制轉(zhuǎn)向的單驅(qū)動微馬達和電極分割型單驅(qū)動雙向壓電馬達，這使得雙向旋轉(zhuǎn)型壓電電機的結(jié)構(gòu)和電路得到簡化，更適合微型化。但是其使用壓電片作為驅(qū)動元件，使得驅(qū)動電壓偏高及高壓驅(qū)動帶來的短路問題、輸出力矩偏小、電極直接與驅(qū)動元件相連接和整個電機在電路中表現(xiàn)為容性而帶來匹配電路復(fù)雜，這些缺陷限制了其的應(yīng)用范圍。在美國專利文獻中，US5079460、US546015和US5341056中描述了旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機，雖然他們能夠提供大力矩和精確定位，但是他們結(jié)構(gòu)復(fù)雜而不適合于微型化、使用多塊的超磁致伸縮材料導(dǎo)致成本太高、多路信號驅(qū)動使得驅(qū)動電路比較復(fù)雜。在又獻《Miniature Spherical Motor using Bimetal of MagnetostrictiveMaterials))中描述了ー種多自由度球型超磁致伸縮電機，其使用4塊的超磁致伸縮材料(Galfenol)和Ni的結(jié)合體作為驅(qū)動元件，其實現(xiàn)了微型化和多自由度化，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本高問題導(dǎo)致其再進ー步的微型化比較困難，高成本也限制其的應(yīng)用范圍。針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題現(xiàn)有單驅(qū)雙向壓電電機的驅(qū)動電壓高及高電壓帶來短路問題、輸出力矩小、輸出功率小、機械與電路部分不能相互隔離和匹配電路比較復(fù)雜的缺點，現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高和不易于微型化的缺點，研究一款單驅(qū)雙向和適合微型化的超磁致伸縮電機具有更好的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供ー種結(jié)構(gòu)簡單、低壓驅(qū)動、單驅(qū)雙向、低成本和易于微型化的旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種單驅(qū)雙向旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機，包括定子、轉(zhuǎn)子、驅(qū)動線圈和偏置磁體，所述定子置于底座上，并與底座集成一體，其特征在于所述定子是由帶貫穿內(nèi)孔的驅(qū)動體和超磁致伸縮材料塊連接而成，所述超磁致伸縮材料塊置于驅(qū)動體的ー個側(cè)面，所述內(nèi)孔設(shè)于靠近該側(cè)面的位置；
所述偏置磁體由一個或ー對永磁鐵組成并置于所述超磁致伸縮材料塊端部；所述轉(zhuǎn)子穿過定子的內(nèi)孔，其下端與底座配合限位固定，為定子與轉(zhuǎn)子提供預(yù)壓力；所述驅(qū)動線圈為一定圈數(shù)的漆包線繞成并置于所述定子外并完全覆蓋所述超磁致伸縮材料塊，工作時，通過對驅(qū)動線圈兩端施加驅(qū)動信號如方波信號以實現(xiàn)單驅(qū)雙向。作為改進，所述轉(zhuǎn)子為上端設(shè)有斜面、下端設(shè)有卡槽的桿體結(jié)構(gòu)，所述定子的內(nèi)孔為圓形孔，內(nèi)孔的上端面成型為與轉(zhuǎn)子的斜面配合的內(nèi)凹的環(huán)形斜面，所述底座上成型有與內(nèi)孔對應(yīng)的通孔，通孔的外側(cè)設(shè)有與轉(zhuǎn)子的底部卡槽配合的弾性卡片，所述轉(zhuǎn)子穿過內(nèi)孔、底座通孔，其上端的斜面與內(nèi)孔的環(huán)形斜面配合形成摩擦傳動面，其下端通過卡槽與彈性卡片的配合限位固定。作為改進，所述定子的驅(qū)動體呈圓柱體，所述內(nèi)孔設(shè)于圓柱體的中心位置，在圓柱體的一個側(cè)面豎直切出一平面，所述超磁致伸縮材料塊與該平面通過界面力連接成一體，所述驅(qū)動線圈置于所述超磁致伸縮材料塊和所述的定子外面，并完全覆蓋所述超磁致伸縮 材料塊。再改進，所述定子的驅(qū)動體呈方形柱，所述內(nèi)孔靠近該方形柱的其中ー個側(cè)面，所述超磁致伸縮材料塊與該側(cè)面通過界面力連接成一體；所述驅(qū)動線圈置于所述超磁致伸縮材料塊和所述的定子外面，并完全覆蓋所述超磁致伸縮材料塊。作為改進，所述定子的驅(qū)動體呈圓柱體或方形柱，在圓柱體的一個側(cè)面豎直切出一平面，在該平面或方形柱的一個側(cè)面的上下兩端設(shè)有凸緣，所述內(nèi)孔靠近設(shè)有凸緣的一偵牝所述超磁致伸縮材料塊為ー塊或ニ塊，分別并排且相間隔一定間距的置于兩個凸緣之間，所述磁致伸縮材料塊的兩端與所述凸緣通過界面力相連接成一體，并與該平面留有ー定間距；所述驅(qū)動線圈為對應(yīng)的ー個或ニ個，置于所述超磁致伸縮材料塊外，并完全覆蓋所述超磁致伸縮材料塊。此種結(jié)構(gòu)使得線圈的體積達到最小，使得結(jié)構(gòu)更加的緊湊。進ー步改進，所述底座的四個邊緣上分別設(shè)有ー個固定螺孔，通過四個固定螺孔中的任意對角兩個進行固定，對線圈的兩端通以驅(qū)動信號以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，或者通過固定底座上的四個固定螺孔進行固定，對所述驅(qū)動線圈通以兩個不同的一定頻率的驅(qū)動信號達到單驅(qū)雙向的功能。由于通過固定底座四個固定螺孔中的任意對角兩個，破壞了其邊界條件的対稱性，從而使得其受カ的対稱性受到破壞，實現(xiàn)單驅(qū)雙向功能。另ー種方法是根據(jù)其定子在兩個互相垂直方向不對稱的特性，使得其正反方向的模態(tài)特性不相同，所以可以通過改變驅(qū)動信號的頻率，從而激發(fā)出不同的主要振型，從而實現(xiàn)通過改變驅(qū)動信號的頻率來實現(xiàn)單驅(qū)雙向的功能，由于其是用一路驅(qū)動信號，使得驅(qū)動電路的設(shè)計更加簡單，使得超磁致伸縮電機更容易微型化。最后，所述底座的四個邊緣上分別設(shè)有ー個固定螺孔進行固定，當(dāng)所述超磁致伸縮材料塊為ニ塊時，分別對其中一個線圈通以驅(qū)動信號，由于受カ的不對稱性，使得轉(zhuǎn)子朝ー個方向旋轉(zhuǎn)，從而通過控制不同線圈的通斷電來達到單驅(qū)雙向的功能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于定子是由超磁致伸縮材料塊和驅(qū)動體通過界面カ相連接，使得加工エ藝簡単、結(jié)構(gòu)簡單并適合進行微型化；采用單片或雙片超磁致伸縮材料塊作為驅(qū)動元件，實現(xiàn)了低成本化、低壓驅(qū)動和高力矩輸出；由于整個電機在電路中等效ー個電感，使得匹配電路更加簡單(相對壓電電機)；本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、低壓驅(qū)動、單驅(qū)雙向、低成本和易于微型化的特點，其機械部分和電路部分可以隔離開，使得其能夠應(yīng)用于ー些特殊需求領(lǐng)域。


圖I是本發(fā)明實施例I的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例I的定子的中空圓柱與底座的集成一體示意圖；圖3是本發(fā)明實施例I的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實施例I轉(zhuǎn)子與底座固定后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明實施例I的結(jié)構(gòu)分解示意圖；圖7是本發(fā)明實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明實施例3的定子與底座的集成一體示意圖；圖9是本發(fā)明實施例4的結(jié)構(gòu)示意圖.
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進ー步詳細描述，但本發(fā)明并不局限于以下實施方式。實施例I如圖I至圖4所示，一種單驅(qū)雙向旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機，包括定子I、轉(zhuǎn)子2、驅(qū)動線圈4和偏置磁體5，所述定子I置于底座8上，并與底座8集成一體，其中定子I、轉(zhuǎn)子2和底座8結(jié)構(gòu)采用金屬材料制成，驅(qū)動線圈4采用漆包線制成，如圖2所示，所述定子I是由一個在側(cè)面切出ー個平面13的中空圓柱14和一塊超磁致伸縮材料塊3 (鋱鏑鉄片)通過環(huán)氧樹脂粘接在一起，中空圓柱14的內(nèi)孔11上端有一個環(huán)形斜面12，所述偏置磁體5由一對永磁鐵組成井分別置于所述超磁致伸縮材料塊3的兩端，為超磁致伸縮材料塊3的鋱鏑鉄片提供偏置磁場；驅(qū)動線圈4置于整個定子I之外，當(dāng)在驅(qū)動線圈4兩端加上方波信號，為超磁致伸縮材料塊3的鋱鏑鉄片的伸縮提供變磁場。如圖3所示，所述轉(zhuǎn)子2是ー個上端設(shè)有斜面21、下端設(shè)有卡槽22的桿體結(jié)構(gòu)，其斜面21與定子I內(nèi)孔11的環(huán)形斜面12相匹配形成摩擦傳動面，轉(zhuǎn)子2穿過定子內(nèi)孔11和底座8，斜面21與定子內(nèi)孔11上端的環(huán)形斜面12相匹配，通過彈性卡片6卡在轉(zhuǎn)子2的末端卡槽22內(nèi)并頂在底座8面上，為斜面21與定子的內(nèi)孔11上端的斜面12接觸提供預(yù)壓カ和限位固定；所述底座8的四個邊緣上分別設(shè)有ー個固定螺孔，當(dāng)固定底座8上的螺孔7b和7d，并在線圈4兩端上加方波信號，電機就實現(xiàn)正轉(zhuǎn)，當(dāng)固定螺孔7a和7c，并線圈兩端上加一定頻率的方波信號，電機實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，由此就可以通過控制邊界條件而實現(xiàn)單驅(qū)雙向功能。當(dāng)固定底座8上的所有螺孔，由于切去一部分的中空圓柱14和超磁致伸縮材料塊3的鋱鏑鐵片構(gòu)成的定子I是ー個不對稱結(jié)構(gòu)，使得其扭轉(zhuǎn)模態(tài)特性在正反方向不一樣，通過改變頻率就可以激發(fā)出正反方向上的扭轉(zhuǎn)模態(tài)振型，從而實現(xiàn)了通過控制頻率來實現(xiàn)單驅(qū)雙向的功能。這兩種實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能的方法都是使用一路的信號進行驅(qū)動，使得電路設(shè)計更加簡單，更適合微型化。實施例2如圖5所不,與實施例I不同之處在于其定子I由一個中空的方形柱和一塊超磁致伸縮材料塊3通過環(huán)氧樹脂粘接在一起，所述內(nèi)孔11靠近該長方體與所述超磁致伸縮材料塊連接的ー側(cè)，通過內(nèi)孔11上端的斜面12與轉(zhuǎn)子2的斜面21相匹配；所述偏置磁體5由一對永磁鐵組成井分別置于所述超磁致伸縮材料塊3的兩端，為超磁致伸縮材料塊3的鋱鏑鉄片提供偏置磁場；所述驅(qū)動線圈4置于定子Iタト，通過轉(zhuǎn)子2的末端卡槽22與弾性卡片6的配合，為定子I與轉(zhuǎn)子2提供預(yù)壓カ；通過固定底座8上的不同對角的固定螺孔7a與7b或者7c與7d，并對線圈4兩端通以驅(qū)動信號就可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，也可以固定底座8上的四個固定螺孔7a、7b、7c和7d，通過改變頻率來實現(xiàn)單驅(qū)雙向的功能。實施例3如圖7、圖8所示，與實施例2不同之處在于其定子的中空的方形柱的一個側(cè)面的上下兩端設(shè)有凸緣15，所述超磁致伸縮材料塊3置于兩個凸緣15之間，通過環(huán)氧樹脂與凸緣15粘接在一起，并與方形柱的側(cè)面留有一定間距，所述內(nèi)孔11靠近設(shè)有凸緣15的ー側(cè)，方形柱的內(nèi)孔11上端有一個與轉(zhuǎn)子2的斜面21相匹配的斜面12。驅(qū)動線圈4置于超磁致伸縮材料塊3タト，通過轉(zhuǎn)子2的末端卡槽22與弾性卡片6的配合，為定子I與轉(zhuǎn)子2提供預(yù)壓力，偏置磁鐵5由一對永磁鐵組成并分別置于超磁致伸縮材料塊3的兩端。通過固定 底座8上的不同對角的固定螺孔，并對驅(qū)動線圈4通以驅(qū)動信號就可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。此種結(jié)構(gòu)使得線圈的體積達到最小，使得結(jié)構(gòu)更加的緊湊，實施例4如圖9所示，與實施例3不同之處在于所述超磁致伸縮材料塊為ニ塊3a和3b，分別并排且相間隔一定間距的置于兩個凸緣15之間，所述磁致伸縮材料塊3a和3b的兩端與所述凸緣15通過環(huán)氧樹脂粘接成一體，并方形柱的側(cè)面留有一定間距，所述內(nèi)孔11靠近設(shè)有凸緣15的ー側(cè)；所述驅(qū)動線圈為對應(yīng)的ニ個4a和4b，分別置于所述超磁致伸縮材料塊3a和3bタト，并完全覆蓋所述超磁致伸縮材料塊3a和3b，所述偏置磁鐵5置于超磁致伸縮材料塊3a和3b的兩端提供偏置磁場，固定底座8上有四個固定螺孔7a、7b或者7c、7d，對線圈4a通以驅(qū)動信號，由于受カ的不對稱性，則會驅(qū)動轉(zhuǎn)子2進行正轉(zhuǎn)，對線圈4b通以驅(qū)動信號，則會驅(qū)動轉(zhuǎn)子2進行反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)單驅(qū)雙向功能。本發(fā)明僅僅對最佳實施方案做了描寫，不能理解為對權(quán)利要求的限定，凡本發(fā)明技術(shù)上ー些改進或者等同技術(shù)手段替換如鑲嵌或者緊配合固定來代替粘接固定均應(yīng)理解為本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單驅(qū)雙向旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機，包括定子、轉(zhuǎn)子、驅(qū)動線圈和偏置磁體，所述定子置于底座上，并與底座集成一體，其特征在于 所述定子是由帶貫穿內(nèi)孔的驅(qū)動體和超磁致伸縮材料塊連接而成，所述超磁致伸縮材料塊置于驅(qū)動體的ー個側(cè)面，所述內(nèi)孔設(shè)于靠近該側(cè)面的位置； 所述偏置磁體由一個或ー對永磁鐵組成并置于所述超磁致伸縮材料塊端部； 所述轉(zhuǎn)子穿過定子的內(nèi)孔，其下端與底座配合限位固定，為定子與轉(zhuǎn)子提供預(yù)壓カ； 所述驅(qū)動線圈為一定圈數(shù)的漆包線繞成并置于所述定子外并完全覆蓋所述超磁致伸縮材料塊，工作時，通過對驅(qū)動線圈兩端施加驅(qū)動信號以實現(xiàn)單驅(qū)雙向。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單驅(qū)雙向旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機，其特征在于所述轉(zhuǎn)子為上端設(shè)有斜面、下端設(shè)有卡槽的桿體結(jié)構(gòu)，所述定子的內(nèi)孔為圓形孔，內(nèi)孔的上端面成型為與轉(zhuǎn)子的斜面配合的內(nèi)凹的環(huán)形斜面，所述底座上成型有與內(nèi)孔對應(yīng)的通孔，通孔的外側(cè)設(shè)有與轉(zhuǎn)子的底部卡槽配合的弾性卡片，所述轉(zhuǎn)子穿過內(nèi)孔、底座通孔，其上端的斜面與內(nèi)孔的環(huán)形斜面配合形成摩擦傳動面，其下端通過卡槽與弾性卡片的配合實現(xiàn)限位固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單驅(qū)雙向旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機，其特征在于所述定子的驅(qū)動體呈圓柱體，所述內(nèi)孔設(shè)于圓柱體的中心位置，在圓柱體的一個側(cè)面豎直切出一平面，所述超磁致伸縮材料塊與該平面通過界面力連接成一體，所述驅(qū)動線圈置于所述超磁致伸縮材料塊和所述的定子外面，并完全覆蓋所述超磁致伸縮材料塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單驅(qū)雙向旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機，其特征在于所述定子的驅(qū)動體呈方形柱，所述內(nèi)孔靠近該方形柱的其中ー個側(cè)面，所述超磁致伸縮材料塊與該側(cè)面通過界面力連接成一體；所述驅(qū)動線圈置于所述超磁致伸縮材料塊和所述的定子外面，并完全覆蓋所述超磁致伸縮材料塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單驅(qū)雙向旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機，其特征在于所述定子的驅(qū)動體呈圓柱體或方形柱，在圓柱體的一個側(cè)面豎直切出一平面，在該平面或方形柱的ー個側(cè)面的上下兩端設(shè)有凸緣，所述內(nèi)孔靠近設(shè)有凸緣的ー側(cè)，所述超磁致伸縮材料塊為ー塊或ニ塊，獨自或者分別并排且相間隔一定間距的置于兩個凸緣之間，所述磁致伸縮材料塊的兩端與所述凸緣通過界面力相連接成一體，并與該平面留有一定間距；所述驅(qū)動線圈為對應(yīng)的ー個或ニ個，置于所述超磁致伸縮材料塊外，并完全覆蓋所述超磁致伸縮材料塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5任ー權(quán)利要求所述的單驅(qū)雙向旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機，其特征在于所述底座的四個邊緣上分別設(shè)有ー個固定螺孔，對線圈的兩端通以驅(qū)動信號以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，或者，對所述驅(qū)動線圈通以兩個不同的一定頻率的驅(qū)動信號達到單驅(qū)雙向的功能。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單驅(qū)雙向旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機，其特征在于所述底座的四個邊緣上分別有ー個固定螺孔，當(dāng)所述超磁致伸縮材料塊為ニ塊時，分別對其中一個線圈通以驅(qū)動信號，來實現(xiàn)單驅(qū)雙向功能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單驅(qū)雙向旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機，包括定子、轉(zhuǎn)子、驅(qū)動線圈和偏置磁體，其中定子由超磁致伸縮材料塊和驅(qū)動體通過界面力結(jié)合成一體，轉(zhuǎn)子穿過定子的內(nèi)孔，偏置磁體置于超磁致伸縮材料塊的端部，驅(qū)動線圈置于定子外。本發(fā)明提供了一種易于微型化的旋轉(zhuǎn)型超磁致伸縮電機，由于定子是由超磁致伸縮材料塊和驅(qū)動體通過界面力相連接，使得加工工藝簡單、結(jié)構(gòu)簡單并適合進行微型化；采用單片或雙片超磁致伸縮材料塊作為驅(qū)動元件，實現(xiàn)了低成本化、低壓驅(qū)動和高力矩輸出；由于整個電機在電路中等效一個電感，使得匹配電路更加簡單(相對壓電電機)；本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、低壓驅(qū)動、單驅(qū)雙向、低成本和易于微型化的特點，其機械部分和電路部分可以隔離開，使得其能夠應(yīng)用于一些特殊需求領(lǐng)域。
文檔編號H02N2/14GK102857140SQ20121000678
公開日2013年1月2日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者邢增平, 何彬, 錢華榮, 徐凱 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所