采用压电微泵散热的超磁致精密驱动器

    超磁致伸缩驱动器(GMA)是利用超磁致伸缩材料在外部磁场变化时发生伸缩形变而制作的一种新型精密驱动器,具有输出位移大、低电压驱动、位移分辨率高等优点^[1],受到国内外专家的广泛关注,迅速成为机电领域研究热点.

    GMA通电工作时,电流引起电磁线圈发热,热量可导致磁致伸缩棒的温度升高和涡流,温度对超磁致伸缩棒的影响是显著而不可忽略的^[2-3],温度的变化不仅会造成磁致伸缩棒的热膨胀,也会影响磁致伸缩系数λ的稳定性.

    为了减少或消除这种热影响,文中选用压电微泵设计了一个水冷系统,通过水流循环对GMA散热.制作了一台GMA样机,并设计了相应的系统进行水冷效果测试,实验结果表明,其具有良好的温控效果.

    1　GMA结构设计

    文中设计的GMA结构如图1所示.改变线圈中的电流,超磁致伸缩材料棒(GMM棒)所处的磁场强度就发生变化,从而导致超磁致伸缩棒的变形,所以通过控制线圈中的电流强度就可控制GMA的输出位移和力.调节螺母和预紧弹簧提供一定的压力,使得超磁致伸缩棒处于预紧状态,从而GMA具有更好的性能.

    在PZT泵的压力作用下,恒温水从进水口流入,经过骨架与套筒之间的空腔,再从出水口流出,带走电磁线圈工作时产生的热量.压电泵是根据压电材料的逆压电效应而开发出来的一种新型微泵,同传统泵相比,压电泵的特点是结构简单、体积小、重量轻、耗能低、噪声低、无电磁干扰,可根据施加电压或频率控制输出流量等^[4].

    超磁致伸缩棒内部的磁场分布决定了GMA的输出位移和输出力,文中在对GMA磁场进行数值分析的基础上,设计了驱动器具体参数,表1列出了该驱动器主要参数.

    2　实　　验

    2.1　测试系统

    图2为文中设计的实验装置,可用来测试GMA静态位移特性及热变形,系统主要部件性能如下.

    DSP控制器:DSP2812;可控恒流源:电流输出范围0～4 A;PZT泵:压电薄膜泵,最大流量1 200 mL/min;位移传感器:电感式差动位移传感器LVDT,测量精度0.01μm.

    系统工作时,指令由DSP发出,经过D/A转换,变成模拟信号以控制恒流源的电流输出,电流通过GMA的电磁线圈,从而使GMA的输出轴产生输出位移,位移信号被传感器检测后经A/D转换并发送到DSP控制器.PC可作为上位机,通过串口与DSP控制器通讯.

    利用图2所示的测试系统,对文中设计的GMA样机进行了基本性能测试.驱动器位移范围51μm,位移分辨率0.01μm,最大输出力可达700 N.