具有水冷装置的磁致伸缩驱动器及其螺旋扁管的成型方法 【技术领域】
本发明属于机械技术领域，涉及一种基于超磁致伸缩材料的驱动器。
背景技术
磁致伸缩现象是物体在磁场的作用下，会沿磁化方向发生伸长和缩短变形。具有磁致伸缩特性的材料已经发现了很多。近几年来，有关磁致伸缩材料开发和应用的报道，主要是指Terfenol-D(美国产品)。Terfenol-D是一种铁(Fe)、铽(Tb)和镝(Dy)的稀土合金，它的伸缩率λ是过去任何一种材料λ值的几十倍到几百倍，是至今为止发现的最为理想、最有推广应用价值的磁致伸缩材料。通常被称为超磁致伸缩材料。
Terfenol-D属于智能材料的一种，用它做成的驱动器和其他智能材料相比有承载大、变形大、响应快和低频特性好等特点，其开发和应用受到国内外的广泛关注。
图1所示为现有的一种磁致伸缩驱动器，核心部分为超磁致伸缩材料的磁致伸缩棒7和励磁线圈5。当线圈中有电流通过时，在磁场的作用下，磁致伸缩棒7会发生伸长或缩短变形。永磁铁24产生偏置磁场以避开场强-应变特性的不灵敏区。通过螺母25调节弹簧13的伸缩量从而调整作用于磁致伸缩棒地予应力。固定端盖9上有安装孔用来固定驱动器。该磁致伸缩驱动器通过予压弹簧并通过螺母调节作用于磁致伸缩棒的予应力，当磁致伸缩棒在磁场的作用下伸长时弹簧进一步被压缩。
该磁致伸缩驱动器中的磁致伸缩棒的伸缩范围只有几十微米，如果采用其它结构形式的弹簧，驱动器的长度可以缩短很多；该磁致伸缩驱动器采用永磁铁产生偏置磁场，如果不用永磁铁，而用线圈本身产生偏置磁场，驱动器直径可以减小，该磁致伸缩驱动器没有考虑线圈发热引起的磁致伸缩棒的热变形，实际上它与磁致伸缩棒的最大磁致伸缩位移处于同一数量级。原理如下：
磁致伸缩棒工作状态的应变ε由3部分组成：
ε＝sσ+dHav+αΔT
式中：ε为磁致伸缩棒的应变；sσ为弹性应变，s为磁致伸缩棒的柔度系数，σ为内应力；dHav为磁致伸缩应变，d为磁致伸缩应变系数，Hav为平均磁场强度；αΔT为热应变，α为磁致伸缩棒的热膨胀系数，ΔT为磁致伸缩棒的平均温升
在磁致伸缩棒的材料选定之后，上面公式中的第一项与磁致伸缩棒的应力状态有关；第二项与磁场强度有关；第三项与磁致伸缩棒的温升有关。
线圈发热引起的电-机械转换器的温升是不可避免的。磁致伸缩棒的最大磁致伸缩位移(上面公式第2项)仅为数十微米，而驱动线圈发热引起的磁致伸缩棒的热变形(上面公式第3项)与前一项处于同一数量级。通过优化设计提高转换效率，减少发热，是减少温升引起的影响，提高精度的有效途径，但不能根本消除误差。
为消除此项误差一般从两个方面采取措施：
①对该项误差进行补偿。图2是带有热变形补偿机构的磁致伸缩驱动器。在驱动器内部增加一个柔性机构-热变形补偿机构27，用来支撑磁致伸缩棒，当温度升高时磁致伸缩棒伸长，同时利用线圈骨架的热变形使该柔性机构相应地缩短，使支点下移，使驱动器输出位移不受温度影响。弹簧13与外罩26组成予压装置。
这种误差消除措施存在两个问题：1)使驱动器体积增加，在设计空间受限制的情况下不适用；2)由于这种方法受到诸多因素(线圈骨架的膨胀系数、刚度，柔性机构的刚度、材料弹性模量等)的影响，难以取得理想补偿效果。
②对大功率、超高精度的磁致伸缩驱动器，前述方法还不能完全解决问题。如果采用强制冷却方法，通以冷却水或其它介质，把线圈产生的热量带走，使超磁致伸缩材料棒在工作过程中保持恒温是一种彻底的解决办法。
图3所示是国外一种采用水套式冷却方式的磁致伸缩驱动器，图3(a)是驱动器的结构示意图，图3(b)是冷却装置的结构示意图。水套15由直径不同的两个金属管水套外管14、水套内管16套在一起，两端用环形金属片封住，靠近两端分别设置入水管8和出水管4，水套15套装在磁致伸缩棒7外面，把磁致伸缩棒与励磁线圈隔开。冷却水从水套15中流过，阻止励磁线圈向磁致伸缩棒传热。通过严格控制冷却水的温度，可以保持磁致伸缩棒7处于恒温，消除了因线圈发热引起的磁致伸缩棒7的热变形误差。
水套式冷却方式的缺点是结构比较复杂，共有六个零件，均采用焊接方法连接。若有渗漏，会发生短路。
【发明内容】
本发明的目的在于克服以上不足，设计一种结构简单，工作可靠的具有水冷装置的磁致伸缩驱动器并提供一种该水冷装置的成型方法。
本发明的技术方案如图1所示，包括有在磁场中可伸缩的超磁致伸缩材料的磁致伸缩棒7，分别与磁致伸缩棒7两端相连的前磁极端盖3和后磁极端盖10，设置在前磁极端盖3和后磁极端盖10之间且套在磁致伸缩棒7上的环状的励磁线圈5，与前磁极端盖3相连接的微位移输出头1，将前磁极端盖3、后磁极端盖10、励磁线圈5和微位移输出头1封装在其中的筒状的壳体12，壳体12的一端设置有固定后磁极端盖10的固定端盖9、另一端设置有位置可调的且可使微位移输出头1从其中自由穿过的前端盖2，设置在前磁极端盖3和前端盖2之间的弹簧13，及与励磁线圈5相连的伸出到壳体12外面的线圈抽头11，其特征在于，在磁致伸缩棒7和励磁线圈5之间设置有螺旋状的螺旋扁管6，螺旋扁管6的两端分别设置有穿出到壳体12外面的入水管8和出水管4。
本发明的微位移输出头1穿过前端盖2的一端的端部形状为球面。
本发明的一种用于带有强制水冷装置的磁致伸缩驱动器的螺旋扁管的成型方法，如图5所示，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用普通车床，把带有定位孔23的圆柱形芯轴18用卡盘17夹紧并用顶尖19顶住；
2)把待加工的通用的金属圆管的一端插入芯轴18上的定位孔23中，将用普通轴承21代替滚花辊子并通过销轴22安装在其上的滚压工具20安装在普通车床的刀架上，并调整刀架的位置使轴承21将靠近定位孔23处的金属圆管挤扁；
3)调整车床的加工螺距与螺旋扁管6的螺距相等，启动车床主轴旋转，并使刀架按照加工左旋螺纹的方式移动，完成整个螺旋扁管的挤压成型。
在本发明中当线圈中有电流通过时，在磁场的作用下，磁致伸缩棒沿其轴向发生伸长和缩短变形。前磁极端盖3和后磁极端盖10减少磁场损失，前端盖2通过弹簧13调节作用于磁致伸缩棒7的予应力。冷却水从入水管8流入螺旋扁管6，并从出水管4流出，阻止励磁线圈5向磁致伸缩棒7传热。通过严格控制冷却水的温度，可以保持磁致伸缩棒7处于恒温，消除了因线圈发热引起的磁致伸缩棒7的热变形误差。
本发明结构简单，加工环节少，避免了复杂结构中因加工时所造成的渗漏问题且冷却效果好。
【附图说明】
图1无冷却装置的磁致伸缩驱动器结构示意图；
图2带有热变形补偿机构的磁致伸缩驱动器结构示意图；
图3采用水套式冷却方式的磁致伸缩驱动器结构示意图；
图4本发明的带有强制水冷装置的磁致伸缩驱动器的结构示意图；
图5本发明的螺旋扁管的成型方法示意图；
图6本发明的实际成型的磁致伸缩驱动器示意图；
图中：1、微位移输出头，2、前端盖，3、前磁极端盖，4、出水管，5、励磁线圈，6、螺旋扁管，7、磁致伸缩棒，8、入水管，9、固定端盖，10、后磁极端盖，11、线圈抽头，12、壳体，13、弹簧，14、水套外管，15、水套，16、水套内管，17、卡盘，18、芯轴，19、顶尖，20、滚压工具，21、轴承，22、销轴，23、定位孔，24、永磁铁，25、螺母，26、外罩，27、热变形补偿机构。
【具体实施方式】
首先用本发明的用于带有强制水冷装置的磁致伸缩驱动器的螺旋扁管的成型方法加工出螺旋扁管6，如图5所示，金属圆管采用直径为5mm的紫铜管，其加工步骤为：
1)采用普通车床，把带有定位孔23的圆柱形芯轴18用卡盘17夹紧并用项尖19顶住；
2)把待加工的紫铜管的一端插入芯轴18上的定位孔23中，将用普通轴承2 1代替滚花辊子并通过销轴22安装在其上的滚压工具20安装在普通车床的刀架上，并调整刀架的位置使轴承21将靠近定位孔23处的紫铜管挤扁；3)调整车床的加工螺距等于螺旋扁管6的螺距为8mm，启动车床主轴旋转，并使刀架按照加工左旋螺纹的方式移动，完成整个螺旋扁管6的挤压成型。
然后将加工好的螺旋扁管6与其他部件按照图4所示采用常规工艺安装调试，本发明采用直径为φ10mm的国产超磁致伸缩材料Tb0.27Dy0.73Fe2作为磁致伸缩棒7，微位移输出头1采用铜合金材料制成，避免了因微位移输出头1被磁化而吸附微小颗粒造成的输出误差，弹簧13采用碟形弹簧并通过前端盖2调节预压力，驱动器工作电压范围直流1~15V，工作电流3A以下，驱动场强(1.59～9.55)×104A/m。由于磁致伸缩材料在1.59×104A/m以下场强-应变特性为不灵敏区，因此予加1.59×104A/m偏置磁场。当驱动场强9.55×104A/m时位移输出可达20μm，分辨率为0.1μm，线性度约为4％，静态力输出1100N，本发明的驱动器外形尺寸为φ40mm×60mm。
本发明采用螺旋扁管式的强制水冷方式，结构简单、紧凑，可靠性高，冷却效果显著，可使磁致伸缩棒保持恒温，消除了因线圈发热引起的磁致伸缩材料棒的热变形误差。