超磁致伸缩微位移致动器的研究

　　微制造业及精密测量技术中,加工及测试过程中的微型性和精密性要求加工、检测和装配等工作必须在一个具有良好隔振性能的超精密隔振平台上进行[1],微位移致动器是实现超精密主动振动控制的一种重要工具.同时,精密驱动和定位技术也是精密和超精密加工、微机械、光学技术、微米/纳米技术等现代制造业前沿领域的基础和关键技术之一.随着MEMS技术的发展,对超精密加工技术提出了越来越高的要求,这也促进了微位移驱动和定位技术的发展.作为新型功能材料的超磁致伸缩材料,具有响应速度快(微秒级)、饱和应变系数大(0.8×10-3～1.6×10-3)、机电耦合系数高(≈0.73)等特性,利用它制作的微位移致动器具有精度高、体积紧凑、传动无间隙等优点,因此在国内外受到广泛重视[2,3].与压电材料(PZT)及传统的磁致伸缩材料镍、钴等相比,超磁致伸缩材料具有独特的性能:在室温下的伸缩系数大,为1500×10-6～2000×10-6;能量密度高,可达14 000～25 000 J/m3;机电耦合系数大,约为0.72;响应速度快,达到微秒(μs)级;输出力大,可达220～880 N[4].

　　1　超磁致伸缩微位移致动器的结构和工作原理

　　超磁致伸缩材料是指在室温和低磁场下能产生很大的磁致伸缩应变的铁系化合物,其代表成分为Tb0.27Dy0.73Fe1.95.利用超磁致伸缩材料的优良特性设计的微位移致动器如图1所示.偏置线圈为超磁致伸缩棒提供偏置磁场,激励线圈提供激励磁场,通过改变激励线圈电流大小和方向实现对磁场强度的控制,从而控制超磁致伸缩棒的伸长量,再通过顶杆输出位移和力.

　　2　微位移致动器的磁场特性分析与设计

　　设计中使用了包头稀土设计研究院提供的Φ8mm×50 mm的稀土超磁致伸缩棒Tb0.27Dy0.73Fe1.95,超磁致伸缩棒在不受力情况下的正向驱动特性如图2所示.可以看出,其伸缩系数与磁场强度大小的关系是非线性的,当磁场强度在0.8×104～4×104A/m时,超磁致伸缩棒的线性度较好,这里利用0.9×104～2.5×104A/m的线性段.由于磁场具有叠加性,致动器中利用偏置线圈提供稳定的偏置磁场1.7×104A/m,激励线圈产生的变化磁场和偏置磁场叠加形成了工作磁场,并使超磁致伸缩棒工作在线性区域,所以激励磁场强度的幅值为不大于上限磁场强度与下限磁场强度差值的一半,即0.8×104A/m.

　　3　稳流电源的分析与设计

　　通电线圈为超磁致伸缩棒提供所需的工作磁场,致动器线圈各参数如表1所示.对线圈磁场有限元分析得到,偏置线圈电流I=0.83 A,在超磁致伸缩棒轴向上产生1.7×104A/m左右的偏置磁场强度,激励线圈电流的最大幅值I=1.0 A,此时能保证超磁致伸缩棒工作在线性区域中.