曾宇露，黃森林，萬(wàn)家鑫，曹清華，趙 冉

(1.南昌工程學(xué)院 江西省精密驅(qū)動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099；2.中原工學(xué)院 中原彼得堡航空學(xué)院，河南 鄭州 450000)

伴隨著現(xiàn)代工業(yè)與微電機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于傳統(tǒng)材料的微位移驅(qū)動(dòng)器因控制精度低、位移行程小，且能量密度小等不足已經(jīng)難以滿足生產(chǎn)的需要[1]。因此，使用新型智能材料開發(fā)的驅(qū)動(dòng)器受到了越來(lái)越多的關(guān)注[2-5]。磁控形狀記憶合金(Magnetic Shape Memory Alloy，MSMA)是一種新型的智能材料，主要成分為Ni、Mn、Ga[6]。1993年美國(guó)麻省理工學(xué)院K.Ullakko博士[7]提出了MSMA的微觀結(jié)構(gòu)和磁控特性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，MSMA具有形變量大、響應(yīng)速度高、能量密度大等特點(diǎn)，目前已被成功應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器、傳感器和能量采集器等領(lǐng)域[8-14]。

本文介紹了MSMA的磁致伸縮原理，并以MSMA材料為驅(qū)動(dòng)元件設(shè)計(jì)了一種新型驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。同時(shí)創(chuàng)建了MSMA驅(qū)動(dòng)器的位移輸出模型，并制作實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。通過對(duì)比理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，表明該裝置設(shè)計(jì)合理，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器較大的位移輸出。

1 驅(qū)動(dòng)器工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在外加磁場(chǎng)作用下，MSMA材料在微觀層面上發(fā)生孿晶界的滑移以及馬氏體相在磁場(chǎng)方向上的再取向從而引起宏觀上材料的變形，同時(shí)在去掉磁場(chǎng)后，材料在外部應(yīng)力的作用下能夠恢復(fù)變形前的狀態(tài)[15-16]。

基于上述MSMA材料磁致伸縮原理，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器的工作原理如圖1所示。首先轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺母調(diào)整復(fù)位彈簧的預(yù)緊力，通過復(fù)位彈簧的預(yù)緊力傳遞給MSMA，為MSMA形變的復(fù)位提供外部應(yīng)力；然后給驅(qū)動(dòng)線圈通入電流，在驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)作用下MSMA隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而伸長(zhǎng)形變，同時(shí)推動(dòng)推桿進(jìn)一步壓縮推桿與調(diào)節(jié)螺母之間的復(fù)位彈簧并使推桿發(fā)生位移完成驅(qū)動(dòng)；最后撤去電流，失去外部磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，MSMA在復(fù)位彈簧產(chǎn)生的彈力作用下恢復(fù)到形變前的狀態(tài)。整個(gè)工作過程將完成電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程并實(shí)現(xiàn)力與位移的輸出。

圖1 MSMA驅(qū)動(dòng)器工作原理圖1—推桿；2—調(diào)節(jié)螺母；3—固定支架；4—復(fù)位彈簧；5—MSMA材料；6—驅(qū)動(dòng)線圈；7—底座

本裝置采用德國(guó)ETO公司生產(chǎn)的兩根2 mm×3 mm×15 mm的長(zhǎng)方體MSMA材料，通過粘結(jié)組合制成單根2 mm×3 mm×30 mm的MSMA棒。

1.1 磁路設(shè)計(jì)

磁路的合理設(shè)計(jì)是驅(qū)動(dòng)器最為關(guān)鍵的部分。查閱資料可知MSMA材料達(dá)到最大應(yīng)變的磁場(chǎng)強(qiáng)度H為500 kA/m，選擇通入的最大電流為1.6 A，對(duì)驅(qū)動(dòng)器磁路的其他相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了盡可能地減少漏磁，提高電能與磁能的轉(zhuǎn)換效率，磁芯選用磁導(dǎo)率為0.0151 A/m的DT4C牌號(hào)電工純鐵。

考慮到線圈的工作時(shí)間較短，取電流密度：JL=6 A/mm2，則裸線直徑d0：

(1)

根據(jù)裸線直徑選用直徑d=0.6 mm的漆包線。

B=μ0μH，

(2)

式中B為氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ0為空氣的磁導(dǎo)率，取值(H/m)；μ為MSMA材料相對(duì)于空氣的磁導(dǎo)率，取值1.5，通過計(jì)算可得磁場(chǎng)強(qiáng)度B=0.942 T。

本文設(shè)計(jì)的開口氣隙長(zhǎng)度為4 mm，根據(jù)安培環(huán)路定律有：

NI=Hg，

(3)

式中N為線圈匝數(shù)；I為線圈輸入的額定電流；H為氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度；g為氣隙長(zhǎng)度。通過計(jì)算可得N=1 250匝。

考慮到磁漏現(xiàn)象所導(dǎo)致的磁感應(yīng)強(qiáng)度的減少，最終取線圈的總匝數(shù)為1 600匝，單個(gè)線圈匝數(shù)為800匝，磁路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 仿真分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，利用Comsol Multiphysics有限元分析軟件對(duì)磁路進(jìn)行磁場(chǎng)仿真，仿真中選用磁場(chǎng)模塊，三維仿真模型包含線圈、磁芯、MSMA材料、線圈骨架以及空氣域。材料參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 材料參數(shù)

通過磁場(chǎng)模塊定義單個(gè)線圈匝數(shù)800匝，電流1.6 A；模型網(wǎng)格為細(xì)化的正四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分得到網(wǎng)格定點(diǎn)14 621個(gè)、正四面體84 724個(gè)、邊單元1 027個(gè)，網(wǎng)格模型如圖3所示。經(jīng)過仿真分析可得磁路的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖4，從圖中可以看出磁路中的磁感線在MSMA材料處較為密集，磁感應(yīng)強(qiáng)度滿足使用要求。由軟件后處理的探針可以測(cè)得氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為1.0845T，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 驅(qū)動(dòng)器磁路結(jié)構(gòu) 圖3 磁路網(wǎng)格模型 圖4 驅(qū)動(dòng)器磁路磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

1.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到磁場(chǎng)方向需要垂直于MSMA材料的伸長(zhǎng)方向，選用的驅(qū)動(dòng)線圈和電工純鐵的截面均為矩形。為了實(shí)現(xiàn)彈簧預(yù)壓力的線性調(diào)節(jié)，采用調(diào)節(jié)螺母的方式調(diào)節(jié)彈簧的初始長(zhǎng)度，完成預(yù)壓力的調(diào)節(jié)。根據(jù)上述工作要求，設(shè)計(jì)出驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)1—推桿；2—調(diào)節(jié)螺母；3—復(fù)位彈簧；4—線圈及線圈骨架；5—螺母支架；6—MSMA材料；7—MSMA保護(hù)套；8—磁芯；9—固定螺栓；10—底座

2 驅(qū)動(dòng)器模型的建立

為了保證驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的可行性，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)器建立位移輸出模型來(lái)計(jì)算MSMA材料形變所導(dǎo)致的輸出位移?？紤]到本設(shè)計(jì)采用彈簧來(lái)提供外部應(yīng)力從而實(shí)現(xiàn)MSMA材料形變的恢復(fù)，同時(shí)在MSMA材料形變伸長(zhǎng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致彈簧的進(jìn)一步壓縮以至于彈簧提供的外部應(yīng)力是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的力，因此需要建立一個(gè)合理的驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)位移輸出模型。建立的動(dòng)態(tài)位移輸出模型如圖6所示。

圖6 MSMA驅(qū)動(dòng)器位移輸出模型

當(dāng)外加磁場(chǎng)垂直于MSMA材料時(shí)，忽略剪切力與縱向應(yīng)力影響的情況下，在低頻磁場(chǎng)即準(zhǔn)靜態(tài)條件下，MSMA材料的軸向應(yīng)變可以表示為[17-18]：

ε=σ/Ceff+qH，

(4)

B=qσ+μH，

(5)

σ=σ0+kx，

(6)

式中ε為MSMA材料的應(yīng)變；B為MSMA材料處的磁感應(yīng)強(qiáng)度；σ為MSMA材料在應(yīng)變方向的壓應(yīng)力；H為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度；Ceff為給定磁場(chǎng)下材料的彈性模量；q為壓磁系數(shù)；μ為材料在給定應(yīng)力下的磁導(dǎo)率；σ0為MSMA材料應(yīng)變方向的受到的預(yù)壓力；k為彈簧的彈性系數(shù)；x為MSMA的伸長(zhǎng)量。

因?yàn)镸SMA材料應(yīng)變?chǔ)?x/l，其中l(wèi)為MSMA材料形變方向的原長(zhǎng)，再聯(lián)立式(4)和式(6)可得MSMA材料的形變量x為

(7)

忽略線圈的磁漏認(rèn)為所有的磁力線都會(huì)穿過MSMA材料，由電磁定律可知，Φ=BA，式中A為磁力線垂直穿過的MSMA材料截面面積。等式(5)兩邊同乘A并與式(6)聯(lián)立可得：

Φ=q(σ0+kx)A+μHA.

(8)

NI=ΦR.

(9)

聯(lián)立式(7)～(9)可得：

(10)

從式(10)中可以看出磁控形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器的輸出位移x是σ0與和I有關(guān)的的二元函數(shù)。當(dāng)σ0為定值時(shí)，x與I之間為正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)I為定值時(shí)，x與σ0之間為負(fù)相關(guān)關(guān)系，且這兩種正、負(fù)相關(guān)是非線性的，因?yàn)樵贛SMA材料的形變過程中給定磁場(chǎng)下材料的彈性模量Ceff、壓磁系數(shù)q、導(dǎo)磁率μ的取值是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。按預(yù)壓力σ0為0N，最大應(yīng)變下的磁場(chǎng)強(qiáng)度H=500 KA/m計(jì)算可得驅(qū)動(dòng)器的輸出位移約為1.12 mm。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及在實(shí)際應(yīng)用下的可行性，根據(jù)已設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)制作實(shí)物樣機(jī)如圖7所示，并搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)對(duì)驅(qū)動(dòng)器性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)如圖8。

圖7 實(shí)物樣機(jī) 1—MSMA；2—線圈；3—調(diào)節(jié)螺母； 4—推桿；5—復(fù)位彈簧；6—磁芯 圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)1—磁控形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)；2—激光位移傳感器；3—顯示器；4—直流穩(wěn)壓電源

通過改變直流穩(wěn)壓電源的輸出電流的大小給驅(qū)動(dòng)線圈提供不同的驅(qū)動(dòng)電流；再通過擰動(dòng)調(diào)節(jié)螺母來(lái)改變彈簧預(yù)壓力，為MSMA提供不同的外部應(yīng)力；最后由激光位移傳感器測(cè)量驅(qū)動(dòng)器推桿的垂直位移量。實(shí)驗(yàn)所得不同電流下與不同外部應(yīng)力作用下驅(qū)動(dòng)器推桿的輸出位移情況如圖9所示。

圖9 不同預(yù)壓力下驅(qū)動(dòng)器輸出位移隨電流變化的情況

從圖9可以看出，當(dāng)外部應(yīng)力值為0 N時(shí)，最大輸出位移為1.07 mm；外部應(yīng)力值為4 N時(shí)，最大輸出位移為0.97 mm；外部應(yīng)力值為6 N時(shí)，最大輸出位移為0.64 mm；外部應(yīng)力值為8 N時(shí)，最大輸出位移為0.56 mm。外部應(yīng)力相同時(shí)，隨著電流的增大，在達(dá)到最大輸出位移前，驅(qū)動(dòng)器的輸出位移不斷增大，且曲線的斜率主要在出現(xiàn)形變到達(dá)到最大形變之前出現(xiàn)最大值。外部應(yīng)力的增大會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器位移的減小，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，最大形變出現(xiàn)前外部應(yīng)力與位移大小之間的負(fù)相關(guān)是非線性的，與動(dòng)態(tài)位移輸出模型中所得出的結(jié)論基本相符。理論模型的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)所得的驅(qū)動(dòng)器輸出位移出現(xiàn)了一定程度上的誤差，造成這一現(xiàn)象的可能原因有：(1)驅(qū)動(dòng)器零件加工精度的不足；(2)線圈纏繞不均勻，穿過MSMA材料的磁力線紊亂；(3)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)低頻振動(dòng)，影響了激光位移傳感器的測(cè)量精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種新型驅(qū)動(dòng)器，以MSMA材料為驅(qū)動(dòng)元件，基于MSMA的磁致伸縮原理設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)器的整體結(jié)構(gòu)，采用有限元仿真軟件COMSOL對(duì)磁路進(jìn)行仿真。同時(shí)建立了驅(qū)動(dòng)器的位移輸出模型，通過計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)器最大輸出位移為1.12 mm。制作了實(shí)物樣機(jī)并進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試得到輸出位移最大可以達(dá)到1.07 mm，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為相符，表明該裝置設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器較大的位移輸出，具有一定的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。