超磁致伸缩材料驱动微型马达的原理与应用

　　微型马达驱动元件的材料主要有形状记忆合金、压电材料、电致流变(ER)材料和超磁致伸缩材料等[1],其中超磁致伸缩材料是一种新型高效的磁(电)—机械能转换材料,其磁致伸缩系数大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出力大等特点是其它材料不能比拟的。因此,基于这种材料的马达性能优越,应用前景广泛。近年来,超磁致伸缩薄膜的研究与发展为超磁致伸缩微型马达提供了新的研究方向和应用领域。

　　1　超磁致伸缩马达的原理

　　超磁致伸缩马达是利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应,在驱动磁场的激励下,由磁致伸缩振子(马达定子)将电磁能转换成机械能,并通过定子和转子间的接触摩擦力推动转子运动,输出力或转矩。这种马达与传统的电磁马达或压电超声波马达相比,具有体积小、输出力大、能量密度高和控制精度高等优点。

　　超磁致伸缩马达主要由磁致伸缩定子元件、驱动线圈和机械转子三部分组成[2]。驱动线圈通过激励电流产生激励磁场驱动作为定子的磁致伸缩元件做伸缩运动。材料的非线性特性给准确分析马达装置系统的动态性能带来一定困难,以至于无法采取行之有效的系统控制理论和方法。目前普遍利用永磁铁产生的偏置磁场和机械预应力的方法来消除超磁致伸缩材料的非线性。

　　准静态条件下,假设忽略产生预应力的弹簧刚度,可以得到无载荷马达中的超磁致伸缩材料的伸缩应变量S3的表达式为

　　S3=d33H3                                                          (1)

　　式中,d33为磁致伸缩系数;H3为磁场强度。

　　实验分析得出,如果磁场强度太大,会产生倍频现象。因此,超磁致伸缩马达最大的激励磁场H3不能超过偏置磁场强度。

　　为了避免线圈长时间通电产生的热量对材料磁致伸缩系数的不利影响,实际应用中一般采用短电流脉冲或具有冷却水的恒温线圈使超磁致伸缩材料工作环境温度保持相对稳定。共振情况下动态应变值由机械品质因子Qm放大得到,因此式(1)可以写成

　　S3=Qmd33H3                                                     (2)