基于稀土超磁致伸缩材料的微致动器设计

　　引言

　　微机电系统技术是一个新兴的高技术领域,发展十分迅猛。而微致动器又是复杂微机电系统的关键技术之一,其性能指标将直接影响整个系统的性能。目前,根据驱动方式微致动器可分为压电式、静电式、形状记忆合金驱动等。研究表明[1],压电式和静电式微致动器是目前比较成熟、分辨力和频响比较高及应用较广泛的微致动器。它们具有精度高、不发热、响应速度快等优点,但是输出力小、驱动电压高、位移范围比较小、会产生漂移现象等缺点限制了它们的应用。而形状记忆合金虽然是已知功能材料中变形量最大的,但它的响应速度较慢且变形不连续,因而也限制了其在微致动器方面的应用[1]。超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material,简写为GMM)是指在室温和低磁场下能产生很大的磁致伸缩应变的三元稀土铁系化合物。GMM具有输出力大、能量密度高、磁机耦合系数大、响应速度快(达到微秒级)、输出应变大等优点,是一种新型高效的电(磁)机械能转换材料,由其构成的微致动器结构简单、体积小。因此本文将超磁致伸缩材料引入微致动器中加以研究。

　　1　超磁致伸缩材料及其工作原理

　　磁致伸缩是指磁性体在外加磁场作用下,在磁化方向上伸长或缩短的现象。这是因为磁性材料中存在着大量的磁畴,各个磁畴的自发磁化方向不相同,在没有加外磁场时,自发磁化引起的形变互相抵消。外加磁场后,各个磁畴的自发磁化都转向外施磁场方向,于是产生了宏观磁致伸缩,其相对伸长量λ=ΔL/L,称为磁致伸缩系数。材料的磁致伸缩系数λ随磁场强度的增加而增加,当磁场强度达到某一临界值时,磁致伸缩系数λ就不再增加,而达到一饱和值,称为饱和磁致伸缩系数。

　　最新研究表明[2],三元稀土铁系化合物在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩应变,其典型材料为Terfenol-D,代表成分为Tb0.27Dy0.73Fe1.95。从表1中可以看出,与传统的磁致伸缩材料Ni及压电陶瓷材料PZT相比,Terfenol-D在磁致伸缩系数、能量密度等方面具有明显的优越性。同时由于超磁致伸缩材料是刚性体结构,受负荷变化影响很小,因而具有低漂移的特点。因此我们选择该材料棒材作为致动器主要执行元件。

　　2　超磁致伸缩致动器的结构分析与设计

　　2.1　微致动器结构、工作原理及特性方程

　　采用Terfenol-D棒材作为致动器的主要元件,研制了用于微制造平台主动隔振系统的微致动器,其结构见图1,相关参数见表2。

　　微致动器的GMM棒在外加励磁线圈磁场作用下产生应变和应力,其宏观表现为位移和力的输出。由于微致动器主要利用GMM棒轴向磁致伸缩效应,因此在不考虑机械和涡流损耗时,GMM棒内部长度方向应变ε33和磁感应强度B33满足下列方程[4]