超磁致微位移直线驱动器

    1　前言

    机电系统微型化是21世纪钠米技术发展的产物,在国民经济中占有重要地位,近几年呈现出强劲的发展势头。随着生命学科和生物技术的发展,要求从原子和分子水平上观察生物结构以及特性,对微米/纳米微机械系统提出了更高的要求,这对微机电系统发展,更起到了推波助澜作用。微驱动器作为驱动元件,是微机械系统研制的难点之一。传统电磁式微驱动器由于受电磁绕组等结构限制,严重影响了微型化的程度,人们不断突破传统驱动的概念,寻求各种新型驱动器,如静电驱动、压电驱动、谐振驱动及生物驱动等。

     目前,国内对微驱动器的研究,大都集中在压电陶瓷(PZT)类型。虽然压电陶瓷型驱动器的研究较成熟,分辨率和响应频率较高,但是,它的输出机械力小,位移范围小,工作电压高,电绝缘要求高,加之压电陶瓷是在受压负载下运行,就自身材料而言将产生漂移现象。这些都限制了压电陶瓷型在微位移驱动器方面的应用。

    自A.E.Clark首先发明室温超磁致材料(GMM)以来[1,2],经过了15年的发展,稀土超磁致材料铽镝铁(TbxDy1-xFey一般x=0.3,y=1.95)取得了迅速发展,完全进入到实用阶段。它具有超磁致伸缩功能,通常饱和磁致伸缩系数λS=1 500～2 000×10-6,与压电材料相比要高一个数量级,而且饱和磁场低(<0.5 T)。我国是一个稀土大国,开发稀土超磁致材料(GMM)具有得天独厚的优势。国内品牌GMM饱和磁致伸缩系数λ可达1 350×10-6,磁机电耦合系数k33=0.72。GMM的突飞猛进为微驱动器发展提供了新途径,逐渐成为很有发展前景的微驱动材料,广泛用于驱动器、传感器、马达、机器人等^[1,3～6]。

    本文设计了一种高出力、快响应、可控性好的超磁致微位移直线驱动器,文中对超磁致直线位移驱动机理进行了探讨,并在MATLAB平台上,以FEM为基础研制了CAD软件,该超磁致微位移直线驱动器对开辟新的微驱动技术具有重要意义。

    2　超磁致材料(GMM)特性

    GMM在磁场作用下,其长度、应力、弹性模量与声速均会发生变化,磁畴呈直线;饱和磁致伸缩系数λS=(1 500～2 000)×10-6;磁致应变对磁场的变化率(d₃₃=dλ/dH)大;具有高的耦合系数和宽的工作温度区;能在微秒内响应,响应频带宽(几十赫兹至1.5 kHz,改进后可达30 kHz),所以GMM作为微驱动材料,具有高出力、快响应、良好的可控性。就应用而言,焦尔效应(Joule Effect)和维拉里效应(Villari Effect)是GMM最广泛应用的物理效应。

    (1)焦尔效应(Joule Effect)　GMM伸缩量正比于施加的磁场强度。