电致伸缩器的理论研究

　　本文研究的“电致伸缩器”是一种新型驱动器,它能较好地实现直线位移和驱动力。作为一种直线运动驱动器,电致伸缩器有较好的应用前景。电致伸缩器可设计成多种结构形式,文中的电致伸缩器采用“压簧式”设计,所选用的弹性材料为非金属可变体。

　　1　电致伸缩器的基本构思

　　线圈通电后会产生磁场。假如把两个通电的线圈极性相反地靠在一起,会产生吸力。在两线圈中间放置一弹性物体,通电后将产生“缩”的效应;断电后恢复,就产生了“伸”的效应。为增大吸力,可在线圈中放置高导磁体;为得到较大的直线位移,可将多个线圈依次联接。本文所述“电致伸缩器”,特指这样一种在电的作用下引起形变产生伸缩效应,将电量转化为机械量的直线驱动器,如图1所示。若把多级电致伸缩器应用于驱动仿生扑翼飞行器的扑翼运动,因其一缩一伸,很象生物的筋脉,可以形象地称其为“人造筋”。

　　电致伸缩器的构思,源于电磁铁的理论和应用。电磁铁的引力F与作动距离d的平方成反比,即F∞1d2,在F与d均需满足一定要求时,电磁铁往往具有较大的体积和自重,这在一定程度上限制了它的应用范围。

　　不难设想,若将所需位移由n级电磁铁串联,例如n=4,则每级的引力必增大16倍,即4只小电磁铁可代替一只引力为16倍的大电磁铁。经计算“4小”的体积与自重之和远小于“1大”的体积和重量。而且,n越大,这种差别越显著。

　　为了将电磁铁的纯引力作用扩展为伸缩作用,采取了引力与弹力互联的方案。在引力作用下,使弹性元件压缩;引力消失时,弹力使位移复原。考虑到结构工艺性,图1所示为电致伸缩器的设计方案之一。

　　电致伸缩器采用脉冲电流,对波形要求不高,频率由应用条件确定。

　　2　电致伸缩器与几种直线驱动器的性能比较

　　与直线电动机相比较:直线电动机是将旋转电动机的定子和转子以及气隙展开成直线状使电能直接转换成直线机械运动的一种推力装置,它可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。经过计算发现,当作用力、位移相同时,多级电致伸缩器的自重和体积,有可能大大小于直线电动机的自重和体积。

　　与压电驱动器相比较:压电材料包括压电陶瓷、压电薄膜、压电聚合物和压电复合材料等。目前压电陶瓷是使用比较普遍的一种。压电驱动器的特点之一是几乎可以作成任何需要的形状和大小,并且可以选择其极化方向。还可以通过改变其化学组成改变其各方面的性能。但存在的缺点是: (1)压电陶瓷脆性较大,受拉压时容易断裂。(2)所有压电材料都有一定程度的非线性、蠕变和磁滞性。(3)压电驱动器的位移量小(亚微米级),常用于传感器。