超磁致伸缩驱动器的输出特性研究

　　超磁致伸缩驱动器以其输出力大、位移分辨率高、位移范围大和带载能力强等特点，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[1]。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　Magnetostrictive　Materi-al，GMM)的性能已接近国外同类材料水平。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 内部磁路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[2-3]

　　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 2 种方式。

        2)把与底座相对的GMM 棒的另一端导磁部件与外套做成一体，形成外套孔中部的一块隔板，该隔板在轴向把驱动器分为2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0.1mm。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[4]。

　　1.2  驱动器特性方程

　　对线性驱动器来说，利用 GMM 轴向磁致伸缩效应有[5]：

　　驱动器电流线圈中的电磁场能量向机械能的转换受输入电流控制，对应不同的输入电流，其位移和力的输出随之改变。其中，预压力和偏置场的大小对磁机耦合系数有一定影响;适当配置机械和电气的结构参数，可使 GMM 处于较佳的机电耦合状态，提高能量转换效率。