超磁致伸缩驱动器的输出特性研究

　　引言

　　超磁致伸缩驱动器以其输出力大、位移分辨率高、位移范围大、带载能力强等特点在超精密定位、超精密加工、智能结构、振动主动控制系统中有着广阔的应用前景。它克服了压电陶瓷驱动器由于采用叠片结构带来的漂移现象,同时由于其工作在低压范围内,相对于压电陶瓷在高压下工作带来的防止漏电等要求,具有结构简单的特点。

　　目前国产超磁致伸缩材料(giant magnetostric-tive material,GMM)的性能已接近国外同类材料水平,其饱和磁致伸缩系数大于1 350×10-6,轴向磁机耦合系数k33的数值在0.5～0.7之间[1]。研究采用国产稀土材料制作的超磁致伸缩驱动器的输出特性,对于发展我国该类驱动器及其相关新型器件与系统具有实际意义。

　　1　结构及特性方程

　　1.1　驱动器结构

　　超磁致伸缩驱动器是利用棒形超磁致材料在所处外部磁场大小发生变化时,其材料发生相应伸缩变形而设计制作的。其结构见图1,主要组成部件有底座、外套、激励线圈、偏置线圈、骨架、GMM棒、输出杆、预压弹簧和拧紧套等。图中GMM棒处在激励线圈和偏置线圈产生的磁场中。激励线圈缠绕在骨架之中,偏置线圈缠绕在激励线圈外面。当改变激励线圈中的电流时,GMM棒所处的磁场大小就会发生变化,从而导致超磁致伸缩驱动器输出GMM的变形,所以通过控制线圈中的电流就可控制超磁致伸缩驱动器的输出位移和力。GMM棒在非工作状态时就受到弹簧的轴向预压力作用,该预压力可使GMM内部磁畴在零磁场时尽可能地沿着与轴向应力垂直的方向排列;在外加激励磁场作用下,可获得较大的轴向磁致伸缩应变,从而可以使驱动器有较大的位移输出量。

　　外套孔中部的隔板与输出杆之间在径向上存在一环形气隙,以允许GMM棒发生伸缩变形。该气隙与底座、外套、输出杆构成磁路,磁路的设计注意了以下几点:①底座与外套之间的磁路连接同时采用轴向和径向两种方式。②把与底座相对的GMM棒的另一端的导磁部件与外套作成一体,形成外套孔中部的一块隔板,该隔板在轴向上把驱动器分为两个功能区域:一端为磁场产生区域,另一端是预压弹簧调整区域。③隔板孔与输出杆之间的气隙尽量减少,本设计中取为0.1 mm。④采用铜制拧紧套使磁路在该处断路,保证设计磁路的磁通量。该驱动器的主要结构参数见表1。

　　1.2　驱动器特性方程

　　对线性驱动器来说,主要利用GMM轴向的磁致伸缩效应,根据文献[2]有

　　ε33=SH33T33+d33H3(1)

　　B3=d33T33+μT33H3(2)

　　式中　ε33、T33、H3、B3——GMM棒长度方向的应变、应力、磁场强度及磁感应强度