謝長(zhǎng)生+曾宇露+胡鐘健+曹清華

摘 要： 本文以TbDyFe合金為驅(qū)動(dòng)源，介紹了復(fù)合懸臂梁式致動(dòng)器的工作原理，設(shè)計(jì)了一種致動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，主要包括磁路的分析、Terfenol-D薄片黏合的數(shù)量及位置。運(yùn)用有限元仿真軟件COMSOL Multipysics對(duì)致動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的電磁回路進(jìn)行仿真分析，利用分析結(jié)果對(duì)致動(dòng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)和性能更加優(yōu)異。

關(guān)鍵詞： TbDyFe 復(fù)合懸臂梁 設(shè)計(jì)

引言

復(fù)合懸臂梁是將功能材料與機(jī)械懸臂梁復(fù)合而成的一種智能型器件，可應(yīng)用于振動(dòng)主動(dòng)控制[1]、力傳感[2]、光反射定位[3]等領(lǐng)域。壓電材料、磁控形狀記憶合金、磁致伸縮材料是應(yīng)用廣泛的三大功能材料，是目前構(gòu)造復(fù)合懸臂梁的理想材料。

1.常用功能材料

TbDyFe是一種新型磁致伸縮合金，具有大應(yīng)變、高精度、強(qiáng)力及響應(yīng)快、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，而且采用磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)纜驅(qū)動(dòng)[4]。關(guān)于TbDyFe復(fù)合懸臂梁的設(shè)計(jì)，那日蘇、云國(guó)宏、榮建紅[5]從最基本的力學(xué)平衡方程出發(fā)，獲得了適應(yīng)于任意磁膜/基底厚度比、自由端施加點(diǎn)荷載的磁膜-基底懸臂梁系統(tǒng)彎曲問題的嚴(yán)格解，針對(duì)材料的幾何參數(shù)和物理參數(shù)著重分析研究構(gòu)成微致動(dòng)器懸臂梁的設(shè)計(jì)。

2.懸臂梁式致動(dòng)器工作原理

懸臂梁式致動(dòng)器的工作基本原理如圖1所示，采用多片Terfenol-D薄片連續(xù)黏合在致動(dòng)器基體上進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，多片小尺寸薄片的黏合既可避免單片薄片驅(qū)動(dòng)力不足，又避免大尺寸薄片驅(qū)動(dòng)彎曲時(shí)容易發(fā)生破碎的缺陷，薄片在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下將沿彈性基底長(zhǎng)度方向也就是Terfenol-D伸長(zhǎng)方向發(fā)生伸長(zhǎng)或縮短，由于基底的上表面與Terfenol-D薄片緊密黏合，基底的上表面將隨之產(chǎn)生收縮，從而產(chǎn)生彎曲變形，彎曲量跟磁場(chǎng)大小相關(guān)，通過實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的控制可精密控制致動(dòng)器的開啟量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制量的精密控制。

2.1致動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選用熱處理后的鈹青銅進(jìn)行線切割成尺寸規(guī)格為80×9×0.5mm，并以此作為致動(dòng)器基底尺寸，此時(shí)Terfenol-D薄片跟致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)尺寸都已確定，Terfenol-D磁化方向長(zhǎng)度lT決定了其最大伸長(zhǎng)量Δlmax，超磁致伸縮材料的線性磁致伸縮系數(shù)λ可表示為：

λ=Δl/l（1）

式中，l為材料的長(zhǎng)度，Δl為材料長(zhǎng)度方向上的變化量。

由（1）可得，Terfenol-D薄片磁化方向最大伸長(zhǎng)為：

Δl=λ·l（2）

式中，λs為飽和磁致伸縮系數(shù)。

致動(dòng)器的工作簡(jiǎn)圖如圖1所示，Terfenol-D薄片處于最大變形時(shí)，變形量達(dá)到最大。

2.2驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)磁路設(shè)計(jì)

圓柱線圈產(chǎn)生最大磁場(chǎng)強(qiáng)度是線圈的內(nèi)徑范圍內(nèi)，可將Terfenol-D薄片置于這個(gè)區(qū)域內(nèi)以提高能量的利用率，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的主要組成部分有線圈、線圈骨架、組芯（放置在骨架內(nèi)，以固定閥片的一段）、外殼及端蓋。

為了致動(dòng)器具有較好的磁機(jī)轉(zhuǎn)換效率，磁路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的原則有：

（1）組成致動(dòng)器磁路的各個(gè)零部件選取要合理，以使磁回路中的磁通量大，并且通過Terfenol-D驅(qū)動(dòng)薄片磁力線多；

（2）減少磁漏，使驅(qū)動(dòng)薄片的磁通量盡量最大化。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖及磁回路見圖2所示

結(jié)語(yǔ)

在對(duì)復(fù)合懸臂梁致動(dòng)器的工作原理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上通過磁路分析、Terfenol-D薄片黏合的數(shù)量及位置的計(jì)算，對(duì)致動(dòng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)和性能更加優(yōu)異。

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基金項(xiàng)目：本文得到南昌工程學(xué)院2015年大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助。