摘 要 磁致伸缩型微位移致动器通常采用多晶或孪晶结构材料作为驱动单元,由于晶界和孪晶界对畴壁的移动具有阻碍作用,其低场下的位移输出较小,调控精度受到较大影响。采用Tb-Dy-Fe单晶材料可以有效解决这一问题,本文介绍了采用这一单晶材料设计的新型高精度微位移致动器以及致动器的结构和数控电源。
微位移致动器是一类能够实现微米、亚微米及纳米尺度位置控制的传感或执行器,在国防、微电子、航空等尖端领域发挥着越来越重要的作用。伴随着大应变量稀土超磁致伸缩材料的出现,微位移致动器的研制产生了新的飞跃[1]。以Tb-Dy-Fe为代表的稀土超磁致伸缩材料的伸缩量为普通压电陶瓷的30~50倍,响应时间达10-6秒,是理想的位移致动材料[2]。90年代初,日本江田宏等研制出第一代磁致伸缩型位移致动器,其位移控制精度可达10nm[3]。近年来,国内相继研制出具有水冷结构的磁致伸缩致动器原型,最大位移输出达20μm以上。常规的磁致伸缩型微位移致动器,大多采用多晶或具有孪晶结构的磁致伸缩材料作为驱动单元,整个系统结构复杂,控制精度不高,严重限制了微位移致动器的应用。
为此我们尝试了研制新一代高精度的磁致伸缩型微位移致动器。
1 微位移致动器的设计
磁致伸缩型微位移致动器的研制所需解决的关键问题有:1)驱动材料在低场下具有高的磁致伸缩性能;2)致动器结构应具有封闭的磁路和良好的隔热性,而且结构要简单,体积要小;3)驱动电源不仅要提供稳定的工作电源,同时还要最大限度减少电流热效应。
为了解决以上3个问题,我们以单晶材料为核心驱动元件,对磁路、驱动机构和高稳定度数控驱动电源进行设计,研制可在大范围工作的超高精度磁致伸缩型纳米微位移致动器。
1.1 RFe2合金单晶材料的特性
磁致伸缩是指材料在磁场的作用下其长度(或形状)发生变化的现象。具有大磁致伸缩应变的材料称为超磁致伸缩材料[4]。磁致伸缩材料的磁致伸缩性能与材料结构直接相关,研究表明:晶界是畴壁移动的主要障碍,相同成分的材料磁致伸缩性能依次排列为:单晶、定向结晶和多晶[5]。我们利用磁悬浮冷坩埚提拉稀土-铁超磁致伸缩单晶材料的技术,解决了长期困扰高性能超磁致伸缩材料制备的污染和孪晶多的难题,制备出具有较高性能的Tb-Dy-Fe单晶材料,单晶尺寸:直径≥15mm,长度≥200mm;饱和磁致伸缩系数λs= 2000×10-6;磁致伸缩率d33=5.0×10-6Oe;机电耦合系数k33= 0.67。
这种单晶材料消除了材料结构中的孪晶缺陷,表现出了很好的低场性能,是整个致动器精度提高、结构简化的重要前提[6]。
1.2 微位移致动器的结构设计
磁致伸缩型纳米微位移致动器的结构设计主要考虑4个部分:驱动线圈,偏场和磁路,隔热层,预应力。
1.2.1 驱动线圈的设计
02对于有限长径的螺线管,在轴线上各点的磁感应强度Bx是轴线距离x的函数。当l/r愈大时,磁场平坦区愈宽,因此为了让线圈内获得均匀的磁场,应尽量增大l/r比值。
对于实际应用中的多层螺线管,其轴向的磁场分布可看作长度相同而l/r比不同的多个线圈所产生的磁场的叠加,可以证明,在轴线中心外磁感应强度为:
由此得知多层线圈的l/r比值因层数不同而不同,最内层的l/r1最大,而最外层的l/r2最小,因此,线圈中磁场的平坦区的宽度与层数有关。在总匝数相同的条件下,层数愈多,平坦区愈窄,轴向气隙利用率愈低。因为我们对驱动器的主要要求是线性工作区要大,因此需要强而均匀的激励磁场。所以,螺线管应尽可能做得细而长,保证螺线管内磁场强度的均匀。在具体制作线圈时还应考虑以下因素:
a)根据工作状态选择电流密度,进而确定导线的裸线直径。
b)考虑单位长度的匝数n1和单位厚度上的层数n2。
c)计算线圈总电阻。由于线圈内通过的是交流电,因而线圈的总阻抗由两部分组成:即电阻与感抗。线圈总阻抗为
d)线圈工作状态时所需的电压和消耗的功率。
1.2.2 偏场及磁路设计
偏场及磁路的设计原则应该是:在磁路设计时,合理地缩短工作间隙距离,减少结合面,改善结合状况,减少磁路中的漏磁;为在需要的工作区间中达到预定的磁感应强度,应选择最佳的磁路尺寸。
设计的内容包括:1)磁场设计:计划采用高剩磁、大矫顽力的永磁材料作为偏场材料;通过磁靴散场以获得均匀的磁场。2)磁回路设计:目的是让产生的永磁场处于的最佳工作点。
1.2.3 隔热层设计
依据驱动材料尺寸,设计确定线圈骨架(隔热层)的内径大小。由于RFe2脆,工作时不能有大的剪切应力和冲击应力,为了防止RFe2断裂,单晶外径最大处应与线圈骨架内径公差配合,用骨本身来起约束、保护作用。这种方法的好处是结构简单紧凑,磁靴可以做得很薄,且接触截面积小,散场相对大而均匀。
1.2.4 预应力设计
考虑应力对磁致伸缩材料性能的影响时,需假定磁致伸缩材料的能量是磁性塞曼能量、磁晶各向异性能量和弹性能量的总和[8],则有
1.3 数控驱动电源的研制
数控电源的作用是为致动器励磁线圈提供按输入数据规定的稳定电流,同时还具有电流范围选择,连续和脉冲工作方式选择。原理框图见图1。以脉冲方式工作时,脉冲持续时间可从1×10-3~1×10-6s连续调节。为了最大地防止材料热膨胀,采用脉冲方式工作,这样可以很大程度上解决致动器自身的误差。
2 性能测试
图2、图3为用直流晶体管稳压电源,驱动电压0~30V,预应力为0~4MPa对致动器性能进行测试的结果,采用千分尺测试微位移,可以看出致动器的驱动范围很大,最大驱动量接近40μm,而且线性度非常好,位移分辨率达1nm。对于微位移致动器来讲,主要关注它的小范围驱动,由图3可知,即使在50μA的电流下致动器还有位移,证明“死区”被很好的缩短或克服了。
3 结论
研制的磁致伸缩型纳米微位移致动器,是国际上首台采用高性能Tb-Dy-Fe超磁致伸缩单晶作为驱动材料的超高精度微位移致动器。主要拥有以下特性:
1)用高性能的Tb-Dy-Fe单晶材料,由于消除了孪晶缺陷,它的饱和磁致伸缩系数λs可达2000×10-6。
2)脉冲式电源设计,提高了致动器的精度,省却了水冷系统,简化了致动器的结构。
3)微位移致动器的最大位移输出达到了30~40μm,线性度好,位移分辨率可达1nm。
参考文献
1 Clark A E.Ferromagnetic Materials.Amsterdam:North-Holland Publishing Company,1980:533
2 Li Q, Zhang Y L, Ouyang S X,et al. High precisionactuator with Tb0.3Dy0.7Fe2single crystal. Mate Res SocSymp Proc.1995, 360
3 江田弘.传感器应用.传感器技术,1990,10(8):34
4 应启明.稀土大磁致伸缩材料研究.稀土,1999,2(1):72~74
5 蒋保成.定向凝固法制备稀土超磁致伸缩材料.功能材料,1997,28(6):570~572
6 李强.大尺寸立方相Tb-Dy-Fe单晶的制备及应用研究:[学位论文].武汉:武汉理工大学,1993
7 胡明哲.磁致伸缩型执行器的设计及相关特性研究:[学位论文].武汉:武汉理工大学,2000
8 Eda H, Kobayashi T,Sahashi M. Workshop on rare-earth magnets and their applications. The 10th Inter.Kyoto,Japan,1989
李强,男,1963年生,博士研究生导师,清华大学化学系。
