基于圆形膜片柔性结构的超磁致伸缩执行器的研究

　　超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive ma-terial,GMM)是近年来发展起来的一种新型功能材料,具有磁致伸缩应变大、机电耦合系数高、响应速度快、输出力大等特点,超磁致伸缩执行器已在超精密加工、精密定位、机器人以及微型机电系统等领域显示出良好的应用前景[1]。

　　在超磁致伸缩材料的应用研究中,微位移和输出力的传递是执行器设计的难点和重点之一,普通传动副的微位移精度低,并且存在摩擦和爬行现象,难以满足微米、纳米级微位移驱动器的动静态精度要求。为此,笔者提出一种圆形膜片柔性结构作为超磁致伸缩微位移执行器的力和位移的传递机构,建立其简化的力学模型,并采用弹性力学和有限元方法对其力学性能进行了理论分析。实验结果表明,基于圆形膜片柔性结构的超磁致伸缩微位移执行器具有较好的性能。

　　1　超磁致伸缩材料的工作机理及特性

　　1.1　超磁致伸缩材料的工作机理

　　物体在磁场中磁化时,会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现象。超磁致伸缩材料工作机理的简单物理图像见图1。在居里温度以下,超磁致伸缩材料是多畴结构,在每个磁畴中,原子的磁矩有序排列,引起晶格发生形变。由于各个磁畴的自发磁化方向不尽相同,因此在没有外加磁场时,自发磁化引起的形变互相抵消,显示不出宏观效应(见图1a)。外加磁场后,各个磁畴的自发磁化方向都转向外磁场方向,于是产生了宏观磁致伸缩现象。随着外磁场增大(到某一数值,各个磁畴完全平行于外磁场方向,超磁致伸缩材料将不再伸长,即达到饱和磁致伸缩状态(见图1b)[2]。

　　1.2　超磁致伸缩材料的工作特性

　　超磁致伸缩材料工作特性可用如下本构方程表示[3]

　　式中,S、H、T、d和B分别为超磁致伸缩材料的应变、磁场强度、所受应力、磁致伸缩应变系数和磁感应强度;sH和μT分别表示柔度系数和磁导率,它们分别受磁场强度及应力影响。

　　从本构方程可以看出,处于极化状态的超磁致伸缩材料的应变不仅与磁场强度有关,而且与所受应力有关;同样,材料内任意一点的磁感应强度不仅和磁场强度有关,而且和所受应力有关,即材料内部的磁学量与力学量之间是一种复杂的耦合关系。由于应力对超磁致伸缩材料的伸长量有一定的影响,因此在设计微位移执行器时,应预加一定的预紧力,以增加超磁致伸缩材料的输出位移。

　　此外,超磁致伸缩材料的应变量还与温度有关,在0～80℃的环境中使用能发挥其最佳性能[4]。

　　2　超磁致伸缩微位移驱动系统组成及原理