超磁致伸缩驱动器热变形补偿及温控方法研究

    0　引言

    超磁致伸缩材料具有应变大、强力、机电耦合系数高、响应速度快等优异特性[1],可广泛应用于声纳、精确定位、超精密加工、机器人、微马达、减振降噪及微机电系统等领域,被视为21世纪提高一个国家科技综合竞争力的战略性功能材料。

    超磁致伸缩驱动器是超磁致伸缩材料的主要应用形式之一。1999年北京市教委批准“稀土超磁致伸缩驱动器型数字快速开关阀”立项,清华、天大、浙大等都开 始进行超磁致伸缩驱动器的研制开发[2]。此外,大连理工大学、哈尔滨工业大学等也进行了相关项目的研究工作该类型驱动器的原理结构简图如图1所示,主要 包括超磁致伸缩棒、驱动线圈、预压机构、输出顶杆、外壳和端盖等[3]。其基本工作原理为:以驱动线圈产生的磁场作为驱动磁场;在结构上由导磁材料制作的 输出顶杆、外壳及底盖,与超磁致伸缩棒形成闭合磁路;当改变输入电流时,驱动线圈产生的磁场发生变化,由于超磁致伸缩棒的轴向磁致伸缩效应,超磁致伸缩棒 即随之发生伸缩变形,即驱动器输出位移和力。通过控制输入电流则可以控制驱动器位移和力的输出。

    超磁致伸缩驱动器工作时,驱动线圈的发热及超磁致伸缩棒的涡流与磁滞损耗均导致超磁致伸缩棒温度的升高。而工作温度对超磁致伸缩材料的伸缩特性有很大影 响,图2显示了在13.8MPa、41.4 MPa预压力和不同磁场强度作用下,工作温度对超磁致伸缩材料伸缩系数的影响[4]。如图所示:在一定的预压力下,当温度从室温(20℃)开始上升时,磁 致伸缩系数上升较快;不同磁场强度下,当温度在40℃-50℃之间,超磁致伸缩材料具有较大的磁致伸缩值;随着工作温度的进一步升高,磁致伸缩量开始缓慢 减小。另外,超磁致伸缩材料具有较大热膨胀系数,国产超磁致伸缩材料的热膨胀系数为12×10-6/℃,与磁致伸缩系数在同一个数量级,这表明温升导致超 磁致伸缩棒的热伸长将严重影响驱动器的精度。

    由此可见,超磁致伸缩棒工作温度对驱动器的可控位移输出有较大的影响,而温升的控制对驱动器的输出精度有至关重要的作用。因此,在超磁致伸缩驱动器的设计中,必须采取措施消除或抑制由于温升带来的不利影响。

     1　热变形补偿及温控方法

    减小或消除超磁致伸缩棒热变形带来的不利影响,可以用被动补偿和主动温控两种方式来解决。被动补偿方式是通过引入适当的机械结构或控制措施来抵消由于超磁 致伸缩棒温升与热变形带来的影响,主要有:软件控制补偿、热膨胀抵消补偿、柔性支撑机构补偿等方法。主动温控方式即采取适当的温控措施,将超磁致伸缩棒的 工作温度始终控制在某一适当的温度点附近,上下浮动的范围决定于该温控所能达到的控制精度;这种方式不仅可抑制热变形,还可以保证超磁致伸缩棒在适宜的温 度范围内工作。主动温控方式主要包括:相变温控强制恒温水冷温控、水冷与相变组合温控等方法。本文将以上各个方法做如下介绍。