基于超磁致伸缩材料的自感知驱动器设计

严思甜 钱晨海 张 宏 张贤才

（湖南科技学院土木与环境工程学院 湖南永州 425199）

引言

超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material，简称 GMM），是一种新型的智能材料，具有输出功率大、能量密度高、响应速度快等特点，其受磁场控制，在工作中存在电、磁、机、热多个场之间能量传递与转换。本文总结了GMM的材料特性，并基于其特性研发了一种超磁致伸缩自感知驱动器，详细阐述了驱动器的具体实施方式。

1 GMM基本特性

1.1 GMM的优异性能

与传统的磁致伸缩材料及压电陶瓷相比，GMM具有如下优异性能，如表1所示[1]。

1.2 GMM效应及应用

如表2所示，列出了GMM中存在的多场耦合效应及常用应用[1]。

2 超磁致伸缩自感知驱动器设计

基于GMM上述特性及效应，自主设计了一种结构简单、驱动位移大、驱动力、响应时间快、可反复使用和可靠性高的超磁致伸缩自感知驱动器，如图1所示。

3 超磁致伸缩自感知驱动器的实施方式

如图1所示，超磁致伸缩自感知驱动器包括壳体、形状记忆合金弹簧4、连接杆6、超磁致伸缩棒9、输出杆13及垫片10，其壳体包括上壳体1-2和下壳体1-1，上壳体1-2的下端通过中间盖7与下壳体1-1上端连接，下壳体1-1内设有隔热套筒2和线圈5-1，线圈5-1位于隔热套筒2内，线圈5-1缠绕在线圈骨架3-1上，线圈5-1的中心处设有形状记忆合金弹簧4，形状记忆合金弹簧4上端与连接杆6下端的凸缘连接。

表1 GMM特性描述

表2 GMM效应及常用应用一览表

图1 超磁致伸缩自感知驱动器结构示意图

上壳体1-2的顶部设有顶盖11，上壳体1-2内设有线圈5-2，线圈5-2缠绕在线圈骨架3-2上，线圈5-2中心处设有超磁致伸缩棒9。线圈骨架3-2的上方和下方分别设有永磁体8-2和永磁体8-1，永磁体8-2和永磁体8-1的形状、尺寸和材料相同，且磁化方向相同。永磁体8-2顶面上设有垫片10。连接杆6上端穿过中间盖7与超磁致伸缩棒9下端接触。所述的输出杆13上设有凸缘，凸缘位于顶盖11和垫片10之间，凸缘与顶盖11之间设有弹簧12；垫片10与凸缘之间通过弹簧12连接。弹簧12采用的是碟形弹簧，碟形弹簧呈螺旋状，用于对超磁致伸缩棒9的预紧。所述中间盖7、连接杆6、垫片10均采用非导磁性材料制成。

隔热套筒2采用微晶玻璃陶瓷制成，隔热套筒2一方面能有效减少形状记忆合金弹簧4加热时向外传热损失的热量，另一方面能起到很好的隔热效果，避免环境温度对驱动器的影响及避免热量传递到驱动器的其他地方。隔热套筒2的顶板上的内孔与连接杆6间隙配合，便于连接杆6的运动。

形状记忆合金弹簧4采用表面镀锡的CuZnAl双行程记忆合金制成，具有相变温度低的优点。当驱动器为伸长推动的驱动器时，所述形状记忆合金弹簧4处于伸长状态的相变温度为80～95℃。当驱动器为缩回拉动的驱动器时，所述形状记忆合金弹簧4处于缩短状态的相变温度为65～85℃。

当超磁致伸缩自感知驱动器为伸长推动的驱动器时，形状记忆合金弹簧4采用高温伸长的CuZnAl记忆合金，依次串联的两个驱动单元置于驱动单元内部，依次给串联的两个驱动单元通电，当弹簧加热温度达到其相变温度80～95℃时，第一个驱动单元中的形状记忆合金弹簧伸长，第二个驱动单元内部磁致发生变化，磁场的变化导致超磁致伸缩棒的伸长，此时，驱动器为伸长驱动，驱动器起到推销器的作用。

当超磁致伸缩自感知驱动器为缩回拉动的驱动器时，驱动器中的弹簧采用高温缩短的CuZnAl记忆合金，依次串联的两个驱动单元处于本身尺寸最长状态，当给第一个驱动单元中的形状记忆合金弹簧通电加热，温度达到其相变温度65～85℃时，形状记忆合金弹簧缩短；第二驱动单元断电时，其超磁致伸缩棒缩回至原来状态，驱动两个驱动单元缩短，最终两个驱动单元缩短至驱动单元内，驱动器起到拔销器的作用。

4 结语

从多场耦合的角度分析了GMM基本性能，总结了其电-磁-机-热多场中GMM的效应及常用应用，基于GMM的基本性能和效应，自主设计了一种超磁致伸缩自感知驱动器，并详细介绍其具体实施方式。本文研究成果对于GMM的研究及应用具有参考意义和价值。

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