本實用新型涉及電機技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種Gafenol磁致伸縮超微步進電機。

背景技術(shù)：

目前微型步進電機主要有傳統(tǒng)電磁式、壓電式和磁致伸縮式，電磁式微型步進電機制造技術(shù)相對成熟，但控制精度低響應(yīng)速度慢，難以實現(xiàn)小型化，而壓電材料具有較高的控制精度且相應(yīng)速度快，得到了廣泛應(yīng)用。與壓電材料相比，新型的磁致伸縮材料(例如Terfenol-D、Galfenol)具有大應(yīng)變(為壓電材料的2-8倍)，能量密度高和低壓驅(qū)動等優(yōu)點，特別是Galfenol磁致伸縮材料具備良好的機械加工性能，能夠承受較大的應(yīng)力，能夠很好地克服壓電材料難以加工，輸出力小的缺點，有望在微型步進電機領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

韓國專利KR101382876提出了一種磁致伸縮式超聲旋轉(zhuǎn)電機，本質(zhì)上與壓電超聲電機相同，該電機無法實現(xiàn)步進運動，而俄國專利RU2074456中采用了相近的結(jié)構(gòu)和原理實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。而美國專利US5079460，US5341056中描述了兩種旋轉(zhuǎn)型步進電機，都采用了復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，難以實現(xiàn)小型化，且由于采取了多個磁致伸縮材料，導(dǎo)致驅(qū)動電路較為復(fù)雜。

中國專利CN102013834A、CN102005967A和CN102005966A針對已有的壓電旋轉(zhuǎn)電機實現(xiàn)了雙向轉(zhuǎn)動，這些電機需要兩套壓電片及驅(qū)動信號，配合設(shè)計空空間上的相位差來實現(xiàn)運動，能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，但由于采用壓電材料，使得電路驅(qū)動電壓偏高，且輸出力矩較小，且電極直接與驅(qū)動元件相連易損壞，這些缺陷限制了其應(yīng)用范圍。而專利CN204681229U和CN204119084 U采用了伸縮材料作為電機驅(qū)動部件，這些專利中采用了復(fù)雜的連桿、輪式結(jié)構(gòu)以及多個磁致伸縮材料，零件機械加工難度較大，難以實現(xiàn)小型化。而CN102857104B提出了一種結(jié)構(gòu)較為精簡的雙向驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機，但受其結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，存在線圈較大(有間隙)，且沒有外殼無法給線圈提供閉合磁路，存在漏磁現(xiàn)象，從而使得其應(yīng)用受到了限制。

在文獻《Miniature Spheical Motors using Bimetal of Magnetostrictive Materials》中描述了一種多自由度球形磁致伸縮電機，其使用了4塊的磁致伸縮伸縮材料和金屬Ni復(fù)合作為驅(qū)動元件，實現(xiàn)了微型化和多自由度化，但它采用了一塊永磁體放置于驅(qū)動元件的間隙，以提供直流磁場，并兼有吸附球形轉(zhuǎn)子的作用，結(jié)構(gòu)復(fù)雜謝謝加工難度高，且其球形轉(zhuǎn)子僅靠永磁體的電磁吸力固定容易脫落，難以承受較大的負載。

針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題：現(xiàn)有發(fā)明的微型步進電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實現(xiàn)小型化，機械與電路部分不能有效隔離，輸出力矩小等缺陷，研究了一款Gafenol磁致伸縮材料驅(qū)動的超磁致伸縮電機具有一定的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上問題，本實用新型提供了一種簡單的、低壓驅(qū)動、雙向轉(zhuǎn)動的低成本超微旋轉(zhuǎn)步進電機，可以有效解決背景技術(shù)中的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供如下技術(shù)方案：一種Gafenol磁致伸縮超微步進電機，包括驅(qū)動元件、轉(zhuǎn)子、底座、支撐架和端蓋，所述轉(zhuǎn)子的主體兩端有各有一轉(zhuǎn)軸，兩轉(zhuǎn)軸各穿過一個微型軸承，所述底座開有兩凹槽，用于固定驅(qū)動元件，所述支撐架用于固定位于轉(zhuǎn)子左右兩側(cè)的底座，所述端蓋與微型軸承的厚度一致，微型軸承內(nèi)嵌于端蓋的圓孔內(nèi)，所述驅(qū)動元件包括具有正磁致伸縮效應(yīng)的Gafenol塊體以及具有負磁致伸縮效應(yīng)的鐵鎳合金塊體，所述驅(qū)動元件外部密繞一層驅(qū)動線圈。

優(yōu)選的，所述Gafenol塊體長度略長于鐵鎳塊體，兩塊體相互獨立緊密貼合。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：當(dāng)給驅(qū)動部件的線圈通以適當(dāng)電流，Gafenol塊體在增加磁場作用下產(chǎn)生伸長形變，通過表面摩擦力推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)步進運動，由于Gafenol合金具有良好機械加工性能，可以實現(xiàn)磁致伸縮伸縮電機的超小型化，有望應(yīng)用在納米機器人等微機電領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型分解結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實用新型驅(qū)動元件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實用新型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實用新型底座的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本實用新型端蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本實用新型電機步進旋轉(zhuǎn)工作原理圖；

圖8為本實用新型電機逆時針轉(zhuǎn)動時兩相驅(qū)動電流波形；

圖中：1-驅(qū)動元件；2-轉(zhuǎn)子；3-微型軸承；4-底座；5-支撐架；6-端蓋。

具體實施方式

下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

實施例：

請參閱圖1至圖6，該Gafenol驅(qū)動超微旋轉(zhuǎn)步進電機、驅(qū)動元件、轉(zhuǎn)子、微型軸承、底座、支撐架及端蓋構(gòu)成，驅(qū)動元件由Gafenol和鐵鎳塊體復(fù)合而成，外部環(huán)繞驅(qū)動線圈，并由底座固定，所述驅(qū)動元件包括一個Gafenol塊體，一個鐵鎳塊體，Gafenol塊體長度略長于鐵鎳塊體，兩塊體相互獨立緊密貼合，為降低在發(fā)生應(yīng)變時塊體間摩擦力，在裝配時可在塊體表面涂一層潤滑油，驅(qū)動元件外部密繞一層驅(qū)動線圈；所述轉(zhuǎn)子的主體兩端有各有一轉(zhuǎn)軸，上部轉(zhuǎn)軸較長，作為外部輸出軸，兩轉(zhuǎn)軸各穿過一個微型軸承；所述底座開有兩凹槽，用于固定驅(qū)動元件；所述支撐架用于固定位于轉(zhuǎn)子左右兩側(cè)的底座，并定位底座的位置，支撐架采用導(dǎo)磁材料，以方式線圈漏磁；所述轉(zhuǎn)子和驅(qū)動元件在裝配時，要保證Gafenol塊體和鐵鎳塊體的端部與轉(zhuǎn)子相接觸，這將由底座開槽位置及底座與支撐架的配合來確定；所述端蓋與微型軸承的厚度一致，微型軸承內(nèi)嵌于端蓋圓孔內(nèi)。

電機工作原理如圖7所示，電機主要結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動相A、驅(qū)動相B以及轉(zhuǎn)子，每個驅(qū)動相含有兩個驅(qū)動元件(例如驅(qū)動相A含有元件A1、A2)在線圈未通以驅(qū)動電流時，處于自然靜止?fàn)顟B(tài)。以電機逆時針旋轉(zhuǎn)為例：圖7.(a)所示電機處于靜止鎖緊狀態(tài)，在驅(qū)動部件A1、A2、B1、B2的線圈中通以直流偏置電流(該電流大小以其所產(chǎn)生的直流偏置磁場為Gafenol的飽和磁場的1/2為準)，以確保Gafenol塊體的伸長量為最大伸長量的1/2，電機轉(zhuǎn)子被驅(qū)動元件A1、A2、B1、B2的塊體端部抵住，從而實現(xiàn)鎖緊；圖7.(b)為旋轉(zhuǎn)態(tài)，驅(qū)動元件B1、B2的驅(qū)動電流降為0，驅(qū)動元件A1、A2的驅(qū)動電流緩慢增加，A1、A2的Gafenol合金塊體在增加的磁場作用下緩慢伸長，A1、A2的鐵鎳合金塊體緩慢縮并且其端部逐漸遠離轉(zhuǎn)子，此時電機轉(zhuǎn)子得以在摩擦力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動，當(dāng)電流達到目標值時恒定保持一段時間，以確保轉(zhuǎn)子穩(wěn)定保持在新的位置，電機轉(zhuǎn)子距原始位置轉(zhuǎn)過了角度θ；圖7.(c)為結(jié)束鎖緊態(tài)，A1、A2驅(qū)動線圈中的電流快速減小至原先的直流偏置電流大小，A1、A2的Gafenol合金塊體開始縮短，A1、A2的其鐵鎳合金塊體則開始伸長并重新抵住轉(zhuǎn)子，以防止轉(zhuǎn)子在Gafenol合金塊體的收縮作用下反向轉(zhuǎn)動，B1、B2的驅(qū)動電流迅速增加至直流偏置電流，電機轉(zhuǎn)子結(jié)束轉(zhuǎn)動過程并被鎖緊。電機在運動過程中的驅(qū)動電流如圖8所示。完成上述3個過程后就稱電機實現(xiàn)了一次步進旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)過的角度θ就稱為步距角，電機的最小步距角由驅(qū)動相的最小有效步進電流決定，該電流大小與線圈匝數(shù)，驅(qū)動元件的尺寸，轉(zhuǎn)子與驅(qū)動塊體間的摩擦力有關(guān)。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。