超磁致伸缩微致动器结构优化与静态特性试验

　　引言

　　超磁致伸缩材料(giant magnetostrictivematerial,简写为GMM)是指三元稀土铁系化合物Tb0.3Dy0.7Fe1.95,国外典型产品牌号为Terfenol-D。GMM在室温和低磁场具有很大的磁致伸缩应变,其磁致伸缩系数λ最大可达2 500×10-6,磁机耦合系数大于0.6。并具有快的响应速度、很强的带载能力及低的磁致伸缩各向异性。在微制造平台隔振系统的设计中,常采用被动隔振系统隔离中、高频扰力,采用以致动器为核心元件的主动隔振系统减少低频、超低频扰力的影响。由GMM构成的微位移致动器具有结构简单、体积小、性能稳定、漂移小、行程大、致动力大等特点,适于用作主动振动控制系统的位移致动器[1,2]。

　　1　工作原理及特性方程

　　超磁致伸缩微致动器主要利用GMM棒轴向磁致伸缩效应。GMM棒在外加励磁磁场作用下产生应变和应力,其宏观表现为轴向位移和力的输出。GMM棒内部长度方向应变ε33和棒内长度方向磁感应强度B33满足[3]

　　ε33=SH33T33+d33H33(1)

　　B33=d33T33+μT33H33(2)

　　式中　SH33——GMM棒长度方向的柔顺系数

　　T33——GMM棒长度方向的应力

　　d33——GMM棒长度方向的场耦合系数

　　H33——GMM棒长度方向的磁场强度

　　μT33——GMM棒长度方向的磁导率

　　微致动器电磁能与机械能之间的转换满足[3]

　　(1-k233)Emech=k233Emagn(3)

　　式中　k33——GMM棒轴向磁机耦合系数

　　Emech、Emagn——机械能和电磁能

　　由式(1)～(3)可看出,GMM内部长度方向应变与激励磁场强度、材料特性常数、应力状态等直接相关。微致动器励磁线圈中的电磁场能量向机械能的转换受激磁线圈输入电流控制,对应不同的输入电流,其位移、力的输出随之改变。其外部位移、力输出实际上是磁场弹性场相互耦合的结果。其中k33、d33对磁场弹性场能量耦合程度影响较大。预应力和偏置磁场对轴向磁机耦合系数k33有一定的影响,应适当配置机械和电气的结构参数,使GMM处于较佳的机电耦合状态[4]。

　　2　超磁致伸缩微致动器的结构分析

　　采用国产的超磁致伸缩棒材研制了用于微制造平台主动隔振系统的超磁致伸缩微致动器,结构如图1所示,相关参数见表1。

　　2.1　电磁结构部分

　　GMM的工作磁场由直流偏置磁场和交流驱动磁场相叠加。GMM棒外设置两个螺线管线圈绕组, 分别通以交、直流以产生交变磁场和直流偏置磁场。 GMM棒的λH关系如表2所示,从表2中可以看出,当磁场强度在8～16 kA/m时,GMM棒的线性度较好。偏置线圈给GMM棒施加一定强度的偏置磁场,使得GMM棒磁致变形处于线性区域,改善输出线性。同时使GMM棒处于极化状态,避免倍频现象,以减小响应的不灵敏区。可以根据实际需要方便调节偏置磁场的大小。由输出杆、GMM棒、底座、箱体和气隙等构成闭合磁路,以提高GMM棒内磁场的均匀性。螺线管线圈长度略大于GMM 棒,使其在长度方向上覆盖整个GMM棒,避免边端效应。对致动器的磁场用有限元法进行数值仿真。致动器基本形状为轴对称结构,2D轴对称有限元模型如图2所示。磁场分布有限元分析结果(图3)表明线圈中产生的磁通基本上都被约束在由磁性材料构成的磁路内,漏磁较小,GMM棒内的磁场分布均匀性较好,致动器的磁路结构达到闭合回路的磁场要求。