摘 要:超磁致材料TbxDy1-xFey(GMM)是A.E.Clark于70年代发现的新型稀土—铁系功能材料。近几年来,作为高科技功能材料得到了迅速发展,这种材料由于具有很大的室温超磁致伸缩应变量,高的电(磁)能-机械能转换率,高能量密度,伸缩应力大,机械响应快等优异特性,因而有着广泛的应用前景。该文设计了一种高出力、快响应、可控性好的超磁致微位移直线驱动器。文中对超磁致微位移直线驱动机理进行了探讨,并在MATLAB平台上,以有限元分析(FEM)为基础研制了CAD软件,示出了采用椭圆模态驱动的超磁致振子组合结构的微位移直线驱动器。
1 前言
机电系统微型化是21世纪钠米技术发展的产物,在国民经济中占有重要地位,近几年呈现出强劲的发展势头。随着生命学科和生物技术的发展,要求从原子和分子水平上观察生物结构以及特性,对微米/纳米微机械系统提出了更高的要求,这对微机电系统发展,更起到了推波助澜作用。微驱动器作为驱动元件,是微机械系统研制的难点之一。传统电磁式微驱动器由于受电磁绕组等结构限制,严重影响了微型化的程度,人们不断突破传统驱动的概念,寻求各种新型驱动器,如静电驱动、压电驱动、谐振驱动及生物驱动等。
目前,国内对微驱动器的研究,大都集中在压电陶瓷(PZT)类型。虽然压电陶瓷型驱动器的研究较成熟,分辨率和响应频率较高,但是,它的输出机械力小,位移范围小,工作电压高,电绝缘要求高,加之压电陶瓷是在受压负载下运行,就自身材料而言将产生漂移现象。这些都限制了压电陶瓷型在微位移驱动器方面的应用。
自A.E.Clark首先发明室温超磁致材料(GMM)以来[1,2],经过了15年的发展,稀土超磁致材料铽镝铁(TbxDy1-xFey一般x=0.3,y=1.95)取得了迅速发展,完全进入到实用阶段。它具有超磁致伸缩功能,通常饱和磁致伸缩系数λS=1 500～2 000×10-6,与压电材料相比要高一个数量级,而且饱和磁场低(<0.5 T)。我国是一个稀土大国,开发稀土超磁致材料(GMM)具有得天独厚的优势。国内品牌GMM饱和磁致伸缩系数λ可达1 350×10-6,磁机电耦合系数k33=0.72。GMM的突飞猛进为微驱动器发展提供了新途径,逐渐成为很有发展前景的微驱动材料,广泛用于驱动器、传感器、马达、机器人等[1,3～6]。
本文设计了一种高出力、快响应、可控性好的超磁致微位移直线驱动器,文中对超磁致直线位移驱动机理进行了探讨,并在MATLAB平台上,以FEM为基础研制了CAD软件,该超磁致微位移直线驱动器对开辟新的微驱动技术具有重要意义。
2 超磁致材料(GMM)特性
GMM在磁场作用下,其长度、应力、弹性模量与声速均会发生变化,磁畴呈直线;饱和磁致伸缩系数λS=(1 500～2 000)×10-6;磁致应变对磁场的变化率(d33=dλ/dH)大;具有高的耦合系数和宽的工作温度区;能在微秒内响应,响应频带宽(几十赫兹至1.5 kHz,改进后可达30 kHz),所以GMM作为微驱动材料,具有高出力、快响应、良好的可控性。就应用而言,焦尔效应(Joule Effect)和维拉里效应(Villari Effect)是GMM最广泛应用的物理效应。
(1)焦尔效应(Joule Effect) GMM伸缩量正比于施加的磁场强度。
(2)维拉里效应(Villari Effect) 它是焦尔效应的逆效应,即处于磁场偏置的GMM,当其受外力作用下,内部发生应变,将产生正比于应变的磁密变化,于是环绕在GMM周围的线圈会产生感应电压。
(3)ΔE效应,杨氏弹性模量正比于磁场变化,声速也正比磁场变化。
焦尔效应和维拉里效应的各物理量之间的关系如图1所示。超磁致材料常用的基本方程为
B=λT+μTH,H=NI (1)
S=sHT+λH (2)
式中 sH为在恒定磁场下弹性屈服系数;I为电流;n为单位长度的线圈匝数;λ为磁致系数。
GMM基本物理特性见表1。并与压电陶瓷材料(PZT)进行比较。从表1可以清楚看出,GMM材料具有优异的性能,GMM饱和磁致伸缩系数是PZT的15～20倍,能量密度是2～25倍,所以具有更大的位移范围。
3 超磁致微位移直线驱动器结构设计
3.1 椭圆模态的生成
在图2所示空间,存在相互正交的位移uA、uB,当其间保持一定的相位差,就能形成具有驱动作用的椭圆运动模态。如图3所示,若媒体1端形成椭圆运动,就会驱动媒体2运动,构成了一台超磁致旋转驱动器。根据椭圆模态的生成及驱动原理(见图4),采用二只超磁致振子构建一台微位移直线驱动器,若对A、B振子配以二相正交正弦电源控制,定、转子接触点处将产生椭圆模态运动,如图5所示。在椭圆模态运动驱动下,转子将产生直线位移。
3.2 超磁致振子的磁结构
超磁致振子的结构主要取决于磁驱动形式,协调解决好高出力与微型化是振子磁结构设计的关键。[7,8]我们选用的GMM测量磁致伸缩特性如图6所示。在预压力F0=6 MPa,磁场强度H=800 Oe以下,呈现较好的线性。为了使GMM处于最佳的工作状态,需要设置一定的偏置磁场,我们在GMM圆棒两端粘接2.5 mm厚永久磁铁钕铁硼,作为串联偏置磁场,如图7所示。并对该磁致振子用压圈弹簧施加预压力。根据不同预压力下GMM磁致伸缩特性,施加预压力后会使GMM能量能够得到充分发挥。同时,为了减小热效应对GMM伸缩特性的影响,驱动线圈骨架采用导热性能好的非导磁铝合金,机壳采用开启式,易于散热。磁致振子的主要设计数据如下:
4 超磁致微位移直线驱动器FEM设计
超磁致微位移驱动器电磁CAD设计是在MATLAB软件平台上开发的,其FEM计算结果如图8所示。通过FEM分析计算,超磁致TbDyFe棒 8 mm×36 mm在驱动线圈通以i=0.8 A电流作用下,其磁致伸长量Δl有限元=30μm。通过磁路计算磁致伸长量,结果为Δl磁路=28μm。从计算结果可以看出,FEM分析与磁路分析这两种方法得到了相互佐证。
5 结束语
本文研究采用新型稀土超磁致材料GMM,设计了基于椭圆模态驱动原理的超磁致微位移直线驱动器。在MATLAB平台上,以有限元分析(FEM)为基础研制了CAD软件,计算了超磁致微位移直线驱动器的磁致伸缩特性,并示出了超磁致振子组合结构。
本文设计的超磁致微位移直线驱动器系统具有高精度、大力矩、快响应等特性,有效地简化了伺服系统,为解决微型机械系统的驱动难点开辟了一条新途径。超磁致微位移直线驱动器系统在电子、生物、环境控制、医学、航空航天、数学通讯、传感技术、灵巧武器等部门也有着广阔的应用前景。
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本文作者：曹志彤 何国光 陈宏平
