超磁致伸缩执行器驱动磁场理论分析与实验研究

　　0　引　言

　　铁磁材料在磁场中磁化时,会沿着磁化方向产生微量的伸长或缩短,这一现象称为磁致伸缩现象.早在1840年,Joule就发现了镍(Ni)的磁致伸缩现象.由于其应变量小(10-5～10-6),长期以来主要用来制造超声波振子.近年来,发现Laves相稀土-铁化合物RFe2(R代表稀土元素Tb、Dy、Ho、Er、Sm、Tm等)的磁致伸缩在室温下是Fe、Ni等传统磁致伸缩材料的100多倍,这种材料被称为超磁致伸缩材料.超磁致伸缩材料具有伸缩应变大(λ=0.8×10-3～1.6×10-3),机电耦合系数高(≈0.73),响应速度快(达μs级),输出力大等特点,因此,它的出现为新型执行器的研制与开发提供了一种行之有效的方法,并引起了研究者的极大关注[1].

　　超磁致伸缩执行器的驱动对象——超磁致伸缩材料是铁磁性功能材料,它的特性是非线性;同时,执行器内部磁路的其他元件也存在一定的非线性.因此,有必要对超磁致伸缩执行器内部的驱动磁场进行深入的研究,并找出其内在规律,以充分发挥超磁致伸缩材料优异的性能.

　　1　超磁致伸缩材料的驱动原理

　　由于磁致伸缩现象的产生是由于铁磁和亚铁磁材料磁化状态的改变而引起长度和体积发生微小的变化,超磁致伸缩材料的驱动原理与压电、形状记忆合金等功能材料不同,一般采用线圈、永久磁铁和磁轭组成闭合磁路进行驱动.并且超磁致伸缩执行器主要应用于微米/纳米技术领域,因此由于驱动线圈发热而引起超磁致伸缩材料的热变形也必须考虑.式(1)和(2)是考虑到热变形的磁致伸缩方程:

　　式中:ε、H、B、σ和d分别表示超磁致伸缩材料的应变、材料棒内平均磁场强度、磁感应强度、棒内应力和磁致伸缩应变系数;α和ΔT分别表示超磁致伸缩棒的热膨胀系数和平均温升;sH和μσ分别表示超磁致伸缩棒的柔度系数和磁导率,它们分别受磁场强度及应力的影响[2].

　　由式(1)、(2)可知:磁致伸缩材料的应变与超磁致伸缩棒中的应力、平均磁场强度和平均温升有关,而且应力与磁场强度的关系是相互耦合的.理论分析和实验研究表明:存在一个最佳应力使超磁致伸缩棒的应变达到最大.并且式(2)还说明:超磁致伸缩棒的磁感应强度与磁场强度的关系是非线性的,并且考虑到其驱动磁路其他元件(如永久磁铁、磁轭)的非线性,则超磁致伸缩执行器的内部磁路分析是比较复杂的.

　　2　超磁致伸缩执行器的结构和工作原理

　　图1是根据超磁致伸缩材料的驱动原理所设计的超磁致伸缩执行器的结构原理简图.由图可知:超磁致伸缩棒的驱动磁场由线圈产生的正、负方向可变的变化磁场和永久磁铁产生的偏置磁场叠加而成,从而使超磁致伸缩材料工作在伸缩率最大的线性区.执行器内部加入了霍尔传感器,以便对超磁致伸缩材料的驱动磁场进行监测.在执行器中,上、下导磁体,导向块,永久磁铁和超磁致伸缩棒构成闭合磁路,从而降低了漏磁,并且不会与外部的仪器和设备相互干扰.为减小由于线圈的温升所造成的超磁致伸缩棒的热伸长,线圈的结构进行了优化,并采用了通入恒温水的方法使线圈的温升控制在一定范围内.