基于Terfenol-D驅(qū)動的數(shù)字液壓泵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于Terfenol-D驅(qū)動的數(shù)字液壓泵。本發(fā)明中的彈性膜片將泵體分為上下兩部分，其中上部分為油路結(jié)構(gòu)，下部分為驅(qū)動結(jié)構(gòu)。油路結(jié)構(gòu)包括進油口、出油口，進油口通過進油口單向閥與位于彈性膜片上方的泵腔聯(lián)通，泵腔通過出油口單向閥與出油口聯(lián)通。驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括磁致伸縮致動器、線圈、剛性元件和彈簧，磁致伸縮致動器的推桿上套置有彈簧，剛性元件設(shè)置在推桿的頂端并與彈性膜片固定連接，線圈繞在磁致伸縮致動器外圍。本發(fā)明采用大推力、大位移的Terfenol-D致動器作為驅(qū)動源，最大額定工作壓力可以達到10MPa。
【專利說明】基于Terfenol-D驅(qū)動的數(shù)字液壓栗

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于Terfenol-D驅(qū)動的數(shù)字泵（以下簡稱Terfenol-D數(shù)字泵)。 準(zhǔn)確地說，涉及一種利用Terfenol-D致動器驅(qū)動的高壓小型數(shù)字液壓泵。

【背景技術(shù)】
[0002] 液壓泵是一種將機械能轉(zhuǎn)換為液壓能的能量轉(zhuǎn)換裝置，為液壓系統(tǒng)提供具有一定 壓力和流量的液壓油。傳統(tǒng)液壓泵由電磁馬達驅(qū)動，體積、重量大，工作時伴有劇烈的振動、 磨損和噪聲。此外，在復(fù)雜的液壓驅(qū)動系統(tǒng)中，常常需要外接許多油管和伺服閥來將液壓油 分配至各個執(zhí)行機構(gòu)以實現(xiàn)復(fù)雜的驅(qū)動，如此會使得執(zhí)行機構(gòu)的運動受到油管的限制。因 此，上述缺陷很大程度上限制了液壓傳動在微機電系統(tǒng)、微流體高精度輸送、航空航天、行 走機器人等領(lǐng)域的應(yīng)用。為了解決傳統(tǒng)液壓泵的上述問題，微小型液壓泵應(yīng)運而生。
[0003] 近年來，研究人員開始將智能材料驅(qū)動技術(shù)引入微小型液壓泵驅(qū)動中，其中利用 磁致伸縮效應(yīng)驅(qū)動的液壓泵(簡稱磁致伸縮泵)就是其中一種極具應(yīng)用前景的微小型泵。磁 致伸縮泵的特點是能將磁致伸縮致動器高頻振動產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為可控性強的液壓能。 它能將傳統(tǒng)液壓泵的驅(qū)動源部分、傳動部分及泵體三者合為一體，可以達到結(jié)構(gòu)簡單、體 積小、重量輕、耗能低、無噪聲、無電磁干擾的要求。此外，由于磁致伸縮材料工作頻率范圍 寬，可以通過對磁致伸縮材料施加一定頻率和大小的磁場來實現(xiàn)對泵輸出流量和壓力的精 確控制，因而在液壓系統(tǒng)的設(shè)計中省去了節(jié)流機構(gòu)，減壓裝置等，大大提高了液壓系統(tǒng)的集 成性能。
[0004] 但是，目前國內(nèi)外針對磁致伸縮泵的研究大多是微型低壓泵，其特點是低壓、流量 小，主要用于航空航天領(lǐng)域?qū)ぷ鲏毫α髁恳蟛桓叩牡胤健６鴮诖胖律炜s致動器驅(qū) 動的高壓泵研究相對較少，特別是主動閥磁致伸縮泵。因此，對于磁致伸縮高壓泵、主動閥 控制、變流量輸出三者結(jié)合的新型磁致伸縮泵的研究具有重大意義，將極大地促進液壓傳 動在微機電系統(tǒng)、微流體高精度輸送、航空航天、行走機器人等領(lǐng)域的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出了一種基于磁致伸縮致動器驅(qū)動的數(shù)字型液壓泵。其基本原理是通過 交替開閉的主動單向閥的控制，使得磁致伸縮致動器的高頻雙向振動轉(zhuǎn)換為液壓油的單向 運動，從而驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。并且本發(fā)明提出的磁致伸縮數(shù)字泵能夠?qū)崿F(xiàn)流量的數(shù)字化控制， 從而為液壓系統(tǒng)省去了節(jié)流機構(gòu)，提高了液壓系統(tǒng)的集成性能。
[0006] 為了實現(xiàn)上述要求，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于磁致伸縮驅(qū)動的數(shù)字液 壓泵主要由泵體、磁致伸縮致動器、線圈、彈簧、剛性元件、彈性膜片、進油口單向閥、出油口 單向閥和控制器組成，彈性膜片將泵體分為上下兩部分，其中上部分為油路結(jié)構(gòu)，下部分為 驅(qū)動結(jié)構(gòu)。
[0007] 所述的油路結(jié)構(gòu)包括進油口、出油口，進油口通過進油口單向閥與位于彈性膜片 上方的泵腔聯(lián)通，泵腔通過出油口單向閥與出油口聯(lián)通。
[0008] 所述的驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括磁致伸縮致動器、線圈、剛性元件和彈簧，磁致伸縮致動器的 推桿上套置有彈簧，剛性元件設(shè)置在推桿的頂端并與彈性膜片固定連接，線圈繞在磁致伸 縮致動器外圍。
[0009] 所述的磁致伸縮致動器、進油口單向閥和出油口單向閥都受控于控制器。
[0010] 其工作原理如下：磁致伸縮致動器通交流電后將產(chǎn)生雙向振動，使彈性膜片產(chǎn)生 高頻振動，從而使泵腔容積產(chǎn)生變化。當(dāng)致動器收縮時，泵腔容積增大，同時控制進油口單 向閥開啟，出油口單向閥關(guān)閉，泵腔此時處于吸油狀態(tài)，吸入低壓油；當(dāng)致動器收縮時，泵腔 容積減小，同理控制進油口單向閥關(guān)閉，出油口單向閥開啟，泵腔此時處于壓油狀態(tài)，輸出 高壓油。
[0011] 作為優(yōu)選的，磁致伸縮數(shù)字泵由磁致伸縮致動器驅(qū)動。磁致伸縮致動器采用巨磁 致伸縮材料Terfenol-D棒作為驅(qū)動器，并在驅(qū)動器外圍饒有多匝線圈。它除了具有響應(yīng)快 的特點外，還具有輸出位移大，輸出力大，功率密度高，位移可重復(fù)性好等優(yōu)點，此外，對磁 致伸縮致動器的工作電壓大小和頻率進行控制，使其達到系統(tǒng)的諧振頻率，實現(xiàn)泵的最大 輸出性能。
[0012] 作為優(yōu)選的，本發(fā)明還可以通過設(shè)計的控制器對磁致伸縮數(shù)字泵進行流量控制， 實現(xiàn)流量數(shù)字化的目標(biāo)。由于磁致伸縮致動器的輸出位移是Terfenol-D棒的應(yīng)變位移，而 應(yīng)變大小決定了泵腔容積的變化大小，從而決定泵的流量。其實現(xiàn)方式是：控制器發(fā)出的 數(shù)字信號用于控制加載在Terfenol-D棒外圍線圈上的驅(qū)動電壓大小和頻率，進而實現(xiàn)對 Terfenol-D致動器中的磁場大小和頻率進行控制，從而實現(xiàn)對磁致伸縮泵流量的精確控 制。
[0013] 作為優(yōu)選的，本發(fā)明中的兩個單向閥是由壓電陶瓷驅(qū)動的一種主動閥，受外加驅(qū) 動電源控制。此外，進油口單向閥、出油口單向閥與Terfenol-D致動器三者驅(qū)動電壓頻率 滿足匹配規(guī)律，且相差一定相位角，使三者動作存在時序上的先后要求，進而使泵腔滿足吸 油與壓油的條件。
[0014] 作為優(yōu)選的，進出油口的主動閥是通過特殊工藝在彈性基板上壓制上一層壓電陶 瓷實現(xiàn)的，這是由于壓電陶瓷質(zhì)地脆硬，與彈性基板復(fù)合后，可以充分利用壓電陶瓷產(chǎn)生的 形變，又不至于使其在大變形下?lián)p壞，因此其特點是變形大、響應(yīng)快。
[0015] 作為優(yōu)選的，致動器與彈性膜片之間采用一塊剛性元件來實現(xiàn)二者固連。
[0016] 作為優(yōu)選的，振動膜片采用彈性性能較好的材料，一般采用鈹青銅，并采用有限元 分析與實驗相結(jié)合的方法確定最優(yōu)的厚度。
[0017] 作為優(yōu)選的，磁致伸縮數(shù)字泵泵體采用不銹鋼制造。利用有限元分析，在保證磁致 伸縮泵輸出性能前提下，盡量減小泵體厚度，增大功率密度。
[0018] 作為優(yōu)選的，Terfenol-D致動器在工作前需要預(yù)加一定大小的偏置力，保證致動 器工作的穩(wěn)定性，提高使用壽命，因此在致動器設(shè)計時，需要增加一個施加偏置應(yīng)力的彈 簧。
[0019] 本發(fā)明的主要有著以下幾個優(yōu)點： 1.本發(fā)明采用大推力、大位移的Terfenol-D致動器作為驅(qū)動源，最大額定工作壓力 可以達到l〇Mpa。
[0020] 2.進出油口的單向閥采用壓電陶瓷驅(qū)動的主動閥來實現(xiàn)，避免了被動閥無法與 Terf eno 1-D驅(qū)動器的高頻相匹配缺點。
[0021] 3.通過設(shè)計的控制器來控制Terfenol-D致動器外圍線圈中電流的大小和頻率 來實現(xiàn)對泵流量數(shù)字化的控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明裝置整體剖視圖； 圖2是本發(fā)明裝置中主動閥結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明裝置吸油過程原理圖； 圖4是本發(fā)明裝置壓油過程原理圖。

【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0024] 如圖1所示：一種基于磁致伸縮驅(qū)動的數(shù)字液壓泵主要由Terfenol-D致動器1、 線圈2、彈簧3、剛性元件4、彈性膜片5、泵腔6、進油口主動閥7、進油口 8、出油口 9、出油口 主動閥10、控制器11、驅(qū)動電源12、控制線13、泵體14等零部件組成。
[0025] 磁致伸縮數(shù)字泵泵體14由不銹鋼加工而成。內(nèi)置磁致伸縮數(shù)字泵的核心驅(qū)動部 件-Terfenol-D致動器1。Terfenol-D致動器1是由巨磁致伸縮材料Terfenol-D制成， 且致動器外圍繞有多匝銅導(dǎo)線線圈。整個致動器整體與泵體14固連。本發(fā)明中的線圈受 驅(qū)動電壓控制，由控制器控制線圈中電流的大小和頻率。與此同時，在Terfenol-D上端部 與金屬殼之間安裝一個彈簧3,為致動器提供偏置壓力，以此來提高致動器的穩(wěn)定性和驅(qū)動 性能。
[0026] Terfenol-D致動器1與彈性膜片5之間通過一個剛性元件4固連在一起，以保 證致動器輸出端與彈性膜片5的同步，同時也減小因輸出端相對較細而引起的應(yīng)力集中現(xiàn) 象，提商I旲片的使用壽命。
[0027] 進油口主動閥7與出油口主動閥10分別由彈性基體和壓電陶瓷通過特殊工藝壓 制在一起，如圖2所示。當(dāng)壓電陶瓷通電后產(chǎn)生應(yīng)變，帶動彈性基體材料產(chǎn)生應(yīng)變，進而使 整個單向閥發(fā)生形變，從而實現(xiàn)閥口的開閉。
[0028] 控制器11主要用于控制Terfenol-D致動器1和進出油口主動閥7、10的電壓。其 控制主要有三個目的：一是實現(xiàn)泵輸出流量數(shù)字化的目標(biāo)；而是控制主動閥7、10和致動器 1的工作頻率與磁致伸縮數(shù)字泵的系統(tǒng)諧振頻率相匹配；三是通過控制三者驅(qū)動電壓的相 位來實現(xiàn)主動閥7、10和致動器1的動作時序先后控制。
[0029] 本發(fā)明裝置工作時分為吸油和壓油過程： 吸油過程：如圖3所示，控制器11控制Terfenol-D致動器收縮，泵腔6容積增大，此時 控制器11控制進油口主動閥7開啟，同時保持出油口主動閥11閉合，在泵腔6內(nèi)的負壓作 用下開始吸油。
[0030] 壓油過程：如圖4所示，控制器11控制Terfenol-D致動器伸長，泵腔6容積減小， 此時控制器11控制出油口主動閥10開啟，同時保持進油口主動閥7閉合，在泵腔6內(nèi)的正 壓作用下開始壓油。
[0031] 流量數(shù)字化控制過程：如圖1所示，控制器發(fā)出數(shù)字信號來控制線圈中電流的大 小和頻率來改變致動器振幅的大小，從而改變泵的流量的大小。
【權(quán)利要求】
1. 基于Terfenol-D驅(qū)動的數(shù)字液壓泵，主要由泵體、磁致伸縮致動器、線圈、彈簧、剛 性元件、彈性膜片、進油口單向閥、出油口單向閥和控制器組成，其特征在于：彈性膜片將泵 體分為上下兩部分，其中上部分為油路結(jié)構(gòu)，下部分為驅(qū)動結(jié)構(gòu)； 所述的油路結(jié)構(gòu)包括進油口、出油口，進油口通過進油口單向閥與位于彈性膜片上方 的泵腔聯(lián)通，泵腔通過出油口單向閥與出油口聯(lián)通； 所述的驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括磁致伸縮致動器、線圈、剛性元件和彈簧，磁致伸縮致動器的推桿 上套置有彈簧，剛性元件設(shè)置在推桿的頂端并與彈性膜片固定連接，線圈繞在磁致伸縮致 動器外圍； 所述的磁致伸縮致動器、進油口單向閥和出油口單向閥都受控于控制器； 磁致伸縮致動器通交流電后產(chǎn)生雙向振動，使彈性膜片產(chǎn)生高頻振動，從而使泵腔容 積產(chǎn)生變化；當(dāng)致動器收縮時，泵腔容積增大，同時控制進油口單向閥開啟，出油口單向閥 關(guān)閉，泵腔此時處于吸油狀態(tài)，吸入低壓油；當(dāng)致動器收縮時，泵腔容積減小，同理控制進油 口單向閥關(guān)閉，出油口單向閥開啟，泵腔此時處于壓油狀態(tài)，輸出高壓油。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Terfenol-D驅(qū)動的數(shù)字液壓泵，其特征在于：磁致伸縮 致動器采用巨磁致伸縮材料Terfenol-D棒作為驅(qū)動器，并在驅(qū)動器外圍饒有多匝線圈。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于Terfenol-D驅(qū)動的數(shù)字液壓泵，其特征在于：控制器發(fā) 出的數(shù)字信號用于控制加載在Terfenol-D棒外圍線圈上的驅(qū)動電壓大小和頻率，進而實 現(xiàn)對磁致伸縮致動器中的磁場大小和頻率進行控制，從而實現(xiàn)對磁致伸縮泵流量的精確控 制。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Terfenol-D驅(qū)動的數(shù)字液壓泵，其特征在于：進油口單 向閥和出油口單向閥是由壓電陶瓷驅(qū)動的一種主動閥，受外加驅(qū)動電源控制。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于Terfenol-D驅(qū)動的數(shù)字液壓泵，其特征在于：主動閥是 在彈性基板上壓制上一層壓電陶瓷實現(xiàn)的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Terfenol-D驅(qū)動的數(shù)字液壓泵，其特征在于：振動膜片 采用鈹青銅，并采用有限元分析與實驗相結(jié)合的方法確定最優(yōu)的厚度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Terfenol-D驅(qū)動的數(shù)字液壓泵，其特征在于：磁致伸縮 數(shù)字泵泵體采用不銹鋼制造，利用有限元分析，在保證磁致伸縮泵輸出性能前提下，盡量減 小泵體厚度，增大功率密度。
【文檔編號】F04B43/04GK104088778SQ201410312882
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】王林翔, 杜修全, 王旦 申請人:浙江大學(xué)