稀土超磁致伸缩材料高速强力微位移机构的开发及动态响应特性研究

　　高精度加工和高精度微位移执行器是现代精密机械技术中的关键技术。过去人们采用电磁铁、压电陶瓷等设计出多种微位移执行器,广泛用在精密机械加工、仪器、仪表及减振、隔振系统中。本文提出的微位移机构,采用稀土超磁致伸缩材料作为执行器,克服了过去所采用机构中存在的高驱动力、高响应频率及小的机构体积无法同时满足的缺点,是一种高能量密度、体积小、响应快的电-机械换能器。

　　1　稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D的特性

　　稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D在电磁场和压应力的作用下,会产生较大的体积或长度变化,与压电陶瓷材料如PZT相比,应变量大,在低频段(0～8 kHz)应变高达1.6×10-3以上,可以承受较大的压应力(可达150 MPa),可以高速(10-6s)实现电磁能与机械能之间的转换。图1为Terfenol-D的在不同压应力下的磁致伸缩系数λ与磁场强度的关系。

　　2　微位移机构结构

　　图2给出了微位移机构结构示意图,其工作原理是:磁化线圈内通入按一定规律变化的电流,引起磁场强度的变化,进而Terfenol-D棒长度发生变化,推动变形梁使之发生变形,通过变形梁的放大作用,再推动顶杆移动,实现高精度位移输出。微位移机构必须有足够的可靠性,快速、准确、无反冲的实现电磁能与机械能之间的转换。

　　3　微位移机构动态响应模型的建立

　　图3给出了磁致伸缩电磁阀的动态响应特性建模原理图。图3中,L为激励线圈电感;N为激励线圈匝数;F为磁致伸缩力;m1为磁致伸缩棒等效质量;R为激励线圈电阻;V为输入电压;x1为磁致伸缩棒输出位移;Φ为磁通量;k1为磁致伸缩棒刚度系数;ξ为磁致伸缩棒阻尼系数;I为变形粱惯性矩;x2为F作用点变形梁位移;k2为微位移机构输出位移与x2的线性系数;x3为微位移机构输出位移;l1为F作用点与悬臂粱固定支撑端的距离。

　　根据克希可夫定律,得出

　　V=Ri+L(di/dt) (1)

　　根据牛顿第二定律和悬臂梁弯曲变形公式,得出

　　磁动势Fm为

　　根据文献[1],可以认为d′33=d33,而d33=dλ/dH。如果考虑涡流影响,微位移机构的磁致伸缩力F满足

　　F= (Φ/d33)k1(5)

　　式中:k1=2δ/r,r为磁致伸缩棒半径,δ为涡流集肤深度,δ=[2/(ωσμ0μr)]1/2,其中ω为线圈激励频率;σ为磁致伸缩棒导电率;μ0为真空磁导率;μr为磁致伸缩棒相对磁导率。如不计涡流影响,k1=1。

　　磁致伸缩棒的刚度系数k为

　　k=AE/l(6)

　　式中:A为磁致伸缩棒截面积;E为磁致伸缩棒杨氏模量;l为磁致伸缩棒长度;其余参数见表1。由上述各式,可以得出磁致伸缩棒的传递函数框图如图4。