Terfenol-D磁致伸缩微小驱动器磁路设计

　　微小机电系统是当前机电领域的研究热点。在微小机电系统驱动器研究中,磁致伸缩驱动方式具有特色。特别是超磁致伸缩材料(GMM, GiantMagnetostrictiveMateri2 al)Terfenol2D具有大应变、大应力负载、宽频、无疲劳极限和微秒级响应速度的特性,使磁致伸缩技术的研究和应用在近10年来得以重视和迅速发展[1, 2]。磁致伸缩是材料(如镍,铁,钴及部分稀土材料)在外加磁场作用下尺寸或体积发生改变的效应。

　　20世纪70年代美国海军标准实验室(NOL, NavalOrdinance Labs)研制出超磁致伸缩材料Terfenol2D。该材料是由铽、镝和铁组成,化学分子式:TbxDy12xFey(0. 27作用比稀土离子和晶格场的作用大一到两个数量级,且其轨道角动量不发生凝结; 稀土离子中轨道电子高速运动产生磁场而自发磁化,并由于L2S 耦合及晶格场作用, 使4f电子云在特定方向上能量为最低,产生易磁化方向,该最低能量状态使4f 电子轨道相对固定,从而使4f电子云或离子磁化方向趋于稳定,即4f电子云形状似被“固化”,而该“固化”轨道使离子形状在空间伸展方向上具有了明显的各项异性;当大量稀土离子被各向异性在某一特定方向上时便引起晶格或磁畴在该特定方向上大的畸变,即具有了晶格的易磁化方向,当施加外磁场时,晶格发生偏转,并整体呈现磁致伸缩效应[1,8,9]。如图1所示,磁致伸缩材料棒磁化前后整体尺寸发生改变。

　　1　驱动器磁路设计

　　1. 1　驱动器磁路设计理论

　　磁致伸缩材料在外加磁场作用下发生形变产生磁2机械耦合效应;外加压力材料发生磁场变化产生机械2磁耦合效应(可用于研制磁致伸缩传感器)。该效应可表示为

　　S =S(σ,H)

　　B =B(σ,H)

　　式中:S为磁致伸缩材料磁致应变;B为磁致伸缩材料的磁通量密度;σ为材料在应变方向的压应力;H为外加磁场强度。磁致应变S和磁通量密度B同时受到外加磁场强度和应力的影响。对磁致伸缩材料棒其轴向伸缩量,在外加磁场强度较低,低频励磁即准静态条件下可由方程组[10]给出

　　式中:EHy为给定磁场强度下材料的杨氏模量; q为磁致伸缩系数或压磁系数(Piezomagnetic coefficient);μσ为材料在给定应力下的磁导率。由式(1b)可得到

　　将式(2)代入式(1a)则可得到

　　由式(3),假定EHy,q,μσ为恒量,当σ给定,应变S与磁通量密度B具有线性关系。S将随B增大而增加。另外,磁致伸缩材料内部磁通量分布均匀与否将影响磁致伸缩效果,分布越均匀,磁致应变就越佳[9]。因此,磁致伸缩驱动器磁路设计目标就是使磁致伸缩材料在驱动时其内部具有尽可能大的、均匀的磁通分布。衡量驱动器磁路设计的优劣标准是当励磁强度一定时,能否使磁致伸缩材料具有最大磁通量密度和沿应变方向上均匀的磁通分布。