偏置优化对Terfenol-D致动器性能的影响

　　0　引言

　　磁致伸缩现象广泛存在于铁磁材料中,材料在磁场中磁化,沿着磁化方向发生微量的伸长或缩短,这一现象称为磁致伸缩。由于铁、镍等传统磁致伸缩材料的磁致伸缩量只有1μm,实用性不大。20世纪70年代,Clark等[1]首次发现Laves相稀土-铁化合物REFe2(RE代表稀土元素Tb、Dy、Ho、Er、Sm、Tm等)的磁致伸缩在室温下是传统磁致伸缩材料的100多倍,这种材料被称为超磁致伸缩材料(GMM)。典型的产品牌号为Terfenol-D(Tb0.27Dy0·73Fe1·95),其饱和磁致伸缩系数λs在室温下可以达到0·01~0·02,磁机耦合系数大于0·6,具有大的磁致伸缩应变、高的响应速度、大的输出力和能量密度,因此在声纳、主动振动、微位移、微阀、微泵等方面都有广泛的应用[2]。

　　以磁致伸缩材料为功能材料的致动器作为能量转换的主要执行机构,其性能受驱动磁场强度、预应力、偏置磁场等因素的影响,合理选择预应力和磁偏置能显著提高致动器的输出性能。本文针对偏置条件对换能器性能的影响进行了实验研究和相应的优化设计。

　　1　磁致伸缩效应的机理和影响因素

　　铁磁物质中,由于量子交换力的作用,其内部形成许多小的区域,即磁畴。每个磁畴内都存在按某一特定方向取向的磁矩,磁矩的取向一般为最易磁化的方向。如果铁磁材料未经磁化,磁矩在所有易磁化方向上的取向概率是相等的,其统计平均磁矩值为零,宏观上材料不呈现磁性。在外磁场的作用下,磁畴的磁化方向改变,伴随着晶格的变形,各微小磁畴变形的累加表现为宏观磁致伸缩[3,4]。反映材料磁致伸缩能力的物理量可用磁致伸缩系数(λ=Δl/l)表示,它表征材料的磁畴从未整齐排列状态到整齐排列状态长度的改变量Δl与材料原始长度l的比值。实际测量中可测材料的应变量或长度变化量来实现。线性低磁场强度下磁致伸缩材料的性质如下:

　　式中,ε为应变;H为磁场强度;B为磁感应强度;σ为应力;sH为磁场强度H为常量时的柔顺系数;μσ为应力σ为常量时的磁导率;d、d*为场耦合系数。

　　由式(1)、式(2)可知,Terfenol-D棒的应变输出不仅与棒的应力状态有关,还和驱动磁场强度、材料特性常数有关。材料特性常数也受操作条件的影响,随操作条件的改变而改变。因此选择合适的操作条件对提高致动器的性能是至关重要的。

　　一般而言,在外界磁场的激励下,对磁致伸缩棒施加一定的预应力能获得更大的磁致伸缩系数。这是因为当轴向施加一定预应力时,磁畴的磁矩大部分按垂直于预应力方向排列。当对磁致伸缩棒施加轴向磁场,磁矩从垂直于轴向的易磁化方向向磁场方向旋转,宏观上表现出更大的磁致伸缩能力。在一定范围内,预应力越大,90°磁畴旋转占的比例越大,则磁致伸缩系数越大。达到一定预应力时,磁畴偏转的能力不足以克服机械预应力,磁致伸缩系数就会降低。图1为Etrema Products Inc采用0·007m直径的磁致伸缩棒在准静态条件下施加0~55MPa　　的静态负载得出的应变-磁场强度和磁感应强度-磁场强度的关系曲线。其饱和应变和曲线斜率在14MPa预应力时达到峰值。