超磁致伸缩驱动器的致动机理研究

　　1 引言

　　超 磁 致 伸 缩 材 料 (Giant MagetostrictiveMaterial，GMM) 是一种新型的功能材料， 在磁场激励作用下能产生比传统磁致伸缩材料大几个数量级的应变输出。 由该材料制成的超磁致伸缩驱动器(Giant Magnetostrictive Material Actuator，GMA) 具有伸缩系数大，输出力大，响应速度快，准确度高等特点，并且能够由低电压驱动，对环境温度的要求也比较低[1]。 在振动主动控制、机器人微位移调节及智能结构等精密工程领域具有广泛的应用前景。

　　在实际的动态控制应用中， 超磁致伸缩驱动器的输入电流与输出位移间呈现出显著的非线性和由材料固有特性所导致的滞回特性， 这将影响 GMA的实际应用。 解决这一影响的方法是： 通过研究GMM 的内部结构在外加磁场下的运动，找出磁场能量与机械能量的转换规律[2]，建立材料的致动模型，研究 GMA 的致动机理， 找到通过控制驱动器的输入电压(或电流)实现控制驱动器精确位移输出量的方法。

　　2 GMA 的结构

　　图 1 是超磁致伸缩驱动器的结构图[3]。 GMA 是利用棒形超磁致伸缩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， 其结构主要包括超磁致伸缩棒、激励线圈、偏置线圈、预紧结构等，驱动器中的GMM 采用国产 Terfenol-D()。驱动器的相关结构参数在表 1 中给出。

　　根据电磁理论，通电线圈可以产生磁场，通过改变线圈中的电流强度即可使磁场强度发生变化，在磁场的激励作用下超磁致伸缩材料发生应变， 驱动器产生位移输出。 由拧紧螺母、预压弹簧、输出杆组成的预压力组件给 GMM 棒施加一预压力， 轴向预压力可使 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;在外加磁场作用下，可获得较大轴向磁致伸缩应变，从而增大位移输出[4]。

　　3 GMA 的致动模型研究

　　当超磁致伸缩驱动器(GMA)工作时超磁致伸缩材料(GMM)表现出磁弹性。GMA 的输入电流 I 与输出应变 λ 间呈现出显著的非线性和滞回特性，如图 2 所示。 GMA 的致动模型是建立在 GMM 磁弹性特征能量方程基础上的。 在外加磁场作用下 GMM的磁矩发生旋转，从而导致磁化和磁致伸缩现象[5]。

　　磁致伸缩模型建立了材料应变 λ 跟磁化强度M 之间的线性表达式：

　　式中：λs———饱和磁致伸缩应变;

　　Ms———饱和磁化强度。

　　磁化模型论述的是磁化强度 M 与输入电流 I之间的关系。 为建立磁化模型， 需要表示出材料内部有效磁场 Heff与磁化强度 M， 无磁滞磁化强度Mon，可逆磁化强度 Mrev以及不可逆磁化强度 Mirr彼此之间的关系：