超磁致伸缩驱动器输出特性的实验研究

　　0　引言

　　磁致伸缩是铁磁体在外加磁场作用下体积和长度会发生变化的现象,工程中应用的是长度发生变化的磁致材料。超磁致伸缩材料(GMM)是指美国海军表面武器研究中心的A E Clark博士于1973年首先发现了在室温和低磁场下有很大磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物[1]。超磁致伸缩材料不同于传统的磁致伸缩材料(Fe、Co、Ni等),它具有磁致伸缩应变大(饱和磁致伸缩系数达1 600×10-6,是传统磁致伸缩材料的100~250倍,压电材料伸缩系数的2~5倍),机电耦合系数高,能量密度大,响应速度快等优点,在声纳、微位移域、微动力(薄膜材料)和力学传感领域都有良好的应用前景[2]。

　　与压电陶瓷驱动器、形状记忆合金等功能驱动器相比,采用超磁致材料的超磁致伸缩驱动器以其输出力大(可以带负载40 MPa)、响应快(为纳秒级)、位范围大和驱动方便等特点在超精密加工、智能结构、振动主动抑制系统中有着广阔的应用前景。它克服了叠片结构压电陶瓷驱动器的漂移现象,同时由于工作在低压范围内,相对于压电陶瓷在高压下工作带来的防止漏电等要求,具有结构简单的特点。

　　目前国产超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数大于1 350×10-6,轴向磁机耦合系数k33在0·5~0·7之间[3]。研究采用国产稀土材料制作的超滋致伸缩驱动器的特性,对该类驱动器的研制和相关新型器件与系统的开发具有实际意义。

　　1　超磁致伸缩驱动器结构

　　超磁致伸缩驱动器是利用棒形超磁致材料在外部磁场大小发生变化时发生相应伸缩变形而设计制作的,结构如图1所示,驱动器中的隔板在轴向上把驱动器分为两个功能区域。隔板左面是磁场产生区域,GMM棒处在激励线圈和偏置线圈产生的磁场中。当改变激励线圈中的电流时,GMM棒所处的磁场大小就会发生变化,从而导致超磁致伸缩驱动器输出GMM的伸缩位移。控制线圈中的电流就可控制超磁致伸缩驱动器的输出位移和力。隔板右面放置GMM棒预压机构,在非工作状态时受到弹簧的轴向预压力作用,可使GMM内部磁畴在零磁场时尽可能地沿着与轴向应力垂直的方向排列;在外加激励磁场作用时,可获得较大的轴向磁致伸缩应变,使得驱动器有较大的位移输出量。

　　外套孔中部的隔板与输出杆之间在径向上存在一环形气隙,以允许输出杆的轴向运动。气隙与底座、外套、输出杆构成磁路。磁路的设计注意了以下几个方面:一是尽量缩短磁路,也就是尽量缩短线圈的长度。考虑到线圈两端产生的磁场比线圈中部的磁场弱,线圈的长度应该比GMM棒略长;二是底座与外套之间的磁路连接同时采用轴向和径向两种方式,通过底座的台阶面和轴面分别与外套的端面和孔面相接触来完成;三是隔板孔与输出杆之间的气隙尽量减少,本设计中取为0·1 mm;四是采用铜制拧紧套使磁路在该处分流磁通量很小,保证隔板的磁通量,使得线圈产生的磁场紧密包围GMM棒,在同样的激励电流作用下可获得更大的驱动器位移(力)输出。该驱动器的主要结构参数见表1。