超磁致伸缩作动器设计与试验研究

　　超磁致伸缩材料，是一种在外磁场作用下，其长度及体积均发生变化，去掉外磁场后，又恢复原来的尺寸的智能材料，能高效地实现电磁能与机械能之间的相互转换[1]。自 1974 年美国的 Clark 博士发现二元稀土铁合金在常温下的磁致伸缩系数比传统材料(如Fe，Ni)大数十倍后，人们把这种新型磁致伸缩材料称为超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,简称为 GMM), 其商品牌号为 Terfenol- D[2]。用 GMM制作的作动杆，具有磁致伸缩应变量值大、能量转换效率高、能量密度大、工作电压低、响应速度快、承载能力强等无可比拟的优良特性，因而非常适宜用于结构振动的主动控制。

　　1 超磁致伸缩作动器总体结构设计

　　1.1 GMM 作动器设计原理

　　GMM 元件在由励磁绕组提供的磁场作用下，发生形变产生作动力与位移，通过调节励磁绕组的电流，控制磁场大小。当 GMM元件中的磁场达到一定值时，元件发生变形。磁场去掉以后，GMM元件基本自动恢复变形。

　　1.2 GMM 作动器总体结构设计

　　图1 为本文设计的 GMM 作动器的总体结构示意图，图 2为制造好的 GMM作动器实物图。此 GMM作动器包括外套、探测线圈、偏置线圈、激励线圈、线圈骨架、GMM元件、作动杆、连接杆、预压碟簧和调节螺母等，具体参数见表 1。通电后偏置线圈、激励线圈提供叠加磁场，单层探测线圈用于测量磁场的大小。GMM是低磁导率材料，为了尽最大可能地提高其工作效率，设计了由 GMM元件和高导磁外套筒构成的闭合磁路，因为外套筒的高导磁率，磁通几乎全部被限制于外套筒中，磁力线沿着外套筒的路径流通，均匀穿过 GMM元件且与其伸长方向一致，从而降低了漏磁。

　　GMM 元件在非工作状态时，就通过伸长方向上的碟簧加一足够大的反力，可起到预紧及增加位移输出量的作用。当激励线圈通以电流信号时产生磁场，GMM 元件产生伸长变化且伸长效应通过作动杆输出给作动对象，断掉电流信号后磁场消失，GMM 元件恢复原来形状，完成此作动器的作动效应。

　　2 GMM作动器磁路设计

　　2.1 超磁致伸缩材料磁机耦合特性

　　超磁致伸缩材料在外加磁场的作用下，其内部产生应变ε 和应力 σ，在磁场激励下，GMM 的磁机耦合可以用下面两个线性方程表示[3]：

　　式中，

　　ε33轴向应变;

　　SH33轴向柔顺系数;

　　σ33轴向应力;

　　d33轴向动态磁致伸缩系数;

　　d'33轴向动态逆磁致伸缩系数;

　　H33轴向磁场强度;