基于超磁致伸縮材料的自感知驅(qū)動器設(shè)計(jì)

嚴(yán)思甜 錢晨海 張 宏 張賢才

（湖南科技學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院 湖南永州 425199）

引言

超磁致伸縮材料（Giant Magnetostrictive Material，簡稱 GMM），是一種新型的智能材料，具有輸出功率大、能量密度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，其受磁場控制，在工作中存在電、磁、機(jī)、熱多個(gè)場之間能量傳遞與轉(zhuǎn)換。本文總結(jié)了GMM的材料特性，并基于其特性研發(fā)了一種超磁致伸縮自感知驅(qū)動器，詳細(xì)闡述了驅(qū)動器的具體實(shí)施方式。

1 GMM基本特性

1.1 GMM的優(yōu)異性能

與傳統(tǒng)的磁致伸縮材料及壓電陶瓷相比，GMM具有如下優(yōu)異性能，如表1所示[1]。

1.2 GMM效應(yīng)及應(yīng)用

如表2所示，列出了GMM中存在的多場耦合效應(yīng)及常用應(yīng)用[1]。

2 超磁致伸縮自感知驅(qū)動器設(shè)計(jì)

基于GMM上述特性及效應(yīng)，自主設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動位移大、驅(qū)動力、響應(yīng)時(shí)間快、可反復(fù)使用和可靠性高的超磁致伸縮自感知驅(qū)動器，如圖1所示。

3 超磁致伸縮自感知驅(qū)動器的實(shí)施方式

如圖1所示，超磁致伸縮自感知驅(qū)動器包括殼體、形狀記憶合金彈簧4、連接桿6、超磁致伸縮棒9、輸出桿13及墊片10，其殼體包括上殼體1-2和下殼體1-1，上殼體1-2的下端通過中間蓋7與下殼體1-1上端連接，下殼體1-1內(nèi)設(shè)有隔熱套筒2和線圈5-1，線圈5-1位于隔熱套筒2內(nèi)，線圈5-1纏繞在線圈骨架3-1上，線圈5-1的中心處設(shè)有形狀記憶合金彈簧4，形狀記憶合金彈簧4上端與連接桿6下端的凸緣連接。

表1 GMM特性描述

表2 GMM效應(yīng)及常用應(yīng)用一覽表

圖1 超磁致伸縮自感知驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖

上殼體1-2的頂部設(shè)有頂蓋11，上殼體1-2內(nèi)設(shè)有線圈5-2，線圈5-2纏繞在線圈骨架3-2上，線圈5-2中心處設(shè)有超磁致伸縮棒9。線圈骨架3-2的上方和下方分別設(shè)有永磁體8-2和永磁體8-1，永磁體8-2和永磁體8-1的形狀、尺寸和材料相同，且磁化方向相同。永磁體8-2頂面上設(shè)有墊片10。連接桿6上端穿過中間蓋7與超磁致伸縮棒9下端接觸。所述的輸出桿13上設(shè)有凸緣，凸緣位于頂蓋11和墊片10之間，凸緣與頂蓋11之間設(shè)有彈簧12；墊片10與凸緣之間通過彈簧12連接。彈簧12采用的是碟形彈簧，碟形彈簧呈螺旋狀，用于對超磁致伸縮棒9的預(yù)緊。所述中間蓋7、連接桿6、墊片10均采用非導(dǎo)磁性材料制成。

隔熱套筒2采用微晶玻璃陶瓷制成，隔熱套筒2一方面能有效減少形狀記憶合金彈簧4加熱時(shí)向外傳熱損失的熱量，另一方面能起到很好的隔熱效果，避免環(huán)境溫度對驅(qū)動器的影響及避免熱量傳遞到驅(qū)動器的其他地方。隔熱套筒2的頂板上的內(nèi)孔與連接桿6間隙配合，便于連接桿6的運(yùn)動。

形狀記憶合金彈簧4采用表面鍍錫的CuZnAl雙行程記憶合金制成，具有相變溫度低的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)驅(qū)動器為伸長推動的驅(qū)動器時(shí)，所述形狀記憶合金彈簧4處于伸長狀態(tài)的相變溫度為80～95℃。當(dāng)驅(qū)動器為縮回拉動的驅(qū)動器時(shí)，所述形狀記憶合金彈簧4處于縮短狀態(tài)的相變溫度為65～85℃。

當(dāng)超磁致伸縮自感知驅(qū)動器為伸長推動的驅(qū)動器時(shí)，形狀記憶合金彈簧4采用高溫伸長的CuZnAl記憶合金，依次串聯(lián)的兩個(gè)驅(qū)動單元置于驅(qū)動單元內(nèi)部，依次給串聯(lián)的兩個(gè)驅(qū)動單元通電，當(dāng)彈簧加熱溫度達(dá)到其相變溫度80～95℃時(shí)，第一個(gè)驅(qū)動單元中的形狀記憶合金彈簧伸長，第二個(gè)驅(qū)動單元內(nèi)部磁致發(fā)生變化，磁場的變化導(dǎo)致超磁致伸縮棒的伸長，此時(shí)，驅(qū)動器為伸長驅(qū)動，驅(qū)動器起到推銷器的作用。

當(dāng)超磁致伸縮自感知驅(qū)動器為縮回拉動的驅(qū)動器時(shí)，驅(qū)動器中的彈簧采用高溫縮短的CuZnAl記憶合金，依次串聯(lián)的兩個(gè)驅(qū)動單元處于本身尺寸最長狀態(tài)，當(dāng)給第一個(gè)驅(qū)動單元中的形狀記憶合金彈簧通電加熱，溫度達(dá)到其相變溫度65～85℃時(shí)，形狀記憶合金彈簧縮短；第二驅(qū)動單元斷電時(shí)，其超磁致伸縮棒縮回至原來狀態(tài)，驅(qū)動兩個(gè)驅(qū)動單元縮短，最終兩個(gè)驅(qū)動單元縮短至驅(qū)動單元內(nèi)，驅(qū)動器起到拔銷器的作用。

4 結(jié)語

從多場耦合的角度分析了GMM基本性能，總結(jié)了其電-磁-機(jī)-熱多場中GMM的效應(yīng)及常用應(yīng)用，基于GMM的基本性能和效應(yīng)，自主設(shè)計(jì)了一種超磁致伸縮自感知驅(qū)動器，并詳細(xì)介紹其具體實(shí)施方式。本文研究成果對于GMM的研究及應(yīng)用具有參考意義和價(jià)值。

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