磁控形状记忆合金驱动器的设计及特性分析

曾宇露，黄森林，万家鑫，曹清华，赵 冉

(1.南昌工程学院 江西省精密驱动与控制重点实验室，江西 南昌 330099；2.中原工学院 中原彼得堡航空学院，河南 郑州 450000)

伴随着现代工业与微电机技术的迅速发展，基于传统材料的微位移驱动器因控制精度低、位移行程小，且能量密度小等不足已经难以满足生产的需要[1]。因此，使用新型智能材料开发的驱动器受到了越来越多的关注[2-5]。磁控形状记忆合金(Magnetic Shape Memory Alloy，MSMA)是一种新型的智能材料，主要成分为Ni、Mn、Ga[6]。1993年美国麻省理工学院K.Ullakko博士[7]提出了MSMA的微观结构和磁控特性。经研究发现，MSMA具有形变量大、响应速度高、能量密度大等特点，目前已被成功应用于驱动器、传感器和能量采集器等领域[8-14]。

本文介绍了MSMA的磁致伸缩原理，并以MSMA材料为驱动元件设计了一种新型驱动器，该驱动器具有结构简单、易于控制、动态响应速度快等特点。同时创建了MSMA驱动器的位移输出模型，并制作实物样机进行测试。通过对比理论计算与实验测试结果，表明该装置设计合理，可实现驱动器较大的位移输出。

1 驱动器工作原理及结构设计

在外加磁场作用下，MSMA材料在微观层面上发生孪晶界的滑移以及马氏体相在磁场方向上的再取向从而引起宏观上材料的变形，同时在去掉磁场后，材料在外部应力的作用下能够恢复变形前的状态[15-16]。

基于上述MSMA材料磁致伸缩原理，本文设计的驱动器的工作原理如图1所示。首先转动调节螺母调整复位弹簧的预紧力，通过复位弹簧的预紧力传递给MSMA，为MSMA形变的复位提供外部应力；然后给驱动线圈通入电流，在驱动线圈产生的驱动磁场作用下MSMA随磁场强度的变化而伸长形变，同时推动推杆进一步压缩推杆与调节螺母之间的复位弹簧并使推杆发生位移完成驱动；最后撤去电流，失去外部磁场的驱动，MSMA在复位弹簧产生的弹力作用下恢复到形变前的状态。整个工作过程将完成电磁能转化为机械能的过程并实现力与位移的输出。

图1 MSMA驱动器工作原理图1—推杆；2—调节螺母；3—固定支架；4—复位弹簧；5—MSMA材料；6—驱动线圈；7—底座

本装置采用德国ETO公司生产的两根2 mm×3 mm×15 mm的长方体MSMA材料，通过粘结组合制成单根2 mm×3 mm×30 mm的MSMA棒。

1.1 磁路设计

磁路的合理设计是驱动器最为关键的部分。查阅资料可知MSMA材料达到最大应变的磁场强度H为500 kA/m，选择通入的最大电流为1.6 A，对驱动器磁路的其他相关参数进行设计。为了尽可能地减少漏磁，提高电能与磁能的转换效率，磁芯选用磁导率为0.0151 A/m的DT4C牌号电工纯铁。

考虑到线圈的工作时间较短，取电流密度：JL=6 A/mm2，则裸线直径d0：

(1)

根据裸线直径选用直径d=0.6 mm的漆包线。

B=μ0μH，

(2)

式中B为气隙处的磁感应强度；μ0为空气的磁导率，取值(H/m)；μ为MSMA材料相对于空气的磁导率，取值1.5，通过计算可得磁场强度B=0.942 T。

本文设计的开口气隙长度为4 mm，根据安培环路定律有：

NI=Hg，

(3)

式中N为线圈匝数；I为线圈输入的额定电流；H为气隙中的磁场强度；g为气隙长度。通过计算可得N=1 250匝。

考虑到磁漏现象所导致的磁感应强度的减少，最终取线圈的总匝数为1 600匝，单个线圈匝数为800匝，磁路的结构如图2所示。

1.2 仿真分析

根据上述计算结果，利用Comsol Multiphysics有限元分析软件对磁路进行磁场仿真，仿真中选用磁场模块，三维仿真模型包含线圈、磁芯、MSMA材料、线圈骨架以及空气域。材料参数设定如表1所示。

表1 材料参数

通过磁场模块定义单个线圈匝数800匝，电流1.6 A；模型网格为细化的正四面体网格，网格划分得到网格定点14 621个、正四面体84 724个、边单元1 027个，网格模型如图3所示。经过仿真分析可得磁路的磁场强度分布如图4，从图中可以看出磁路中的磁感线在MSMA材料处较为密集，磁感应强度满足使用要求。由软件后处理的探针可以测得气隙处的磁感应强度B为1.0845T，满足设计要求。

图2 驱动器磁路结构 图3 磁路网格模型 图4 驱动器磁路磁感应强度分布图

1.3 整体结构设计

考虑到磁场方向需要垂直于MSMA材料的伸长方向，选用的驱动线圈和电工纯铁的截面均为矩形。为了实现弹簧预压力的线性调节，采用调节螺母的方式调节弹簧的初始长度，完成预压力的调节。根据上述工作要求，设计出驱动器的结构如图5所示。

图5 驱动器结构1—推杆；2—调节螺母；3—复位弹簧；4—线圈及线圈骨架；5—螺母支架；6—MSMA材料；7—MSMA保护套；8—磁芯；9—固定螺栓；10—底座

2 驱动器模型的建立

为了保证驱动器设计的可行性，需要对驱动器建立位移输出模型来计算MSMA材料形变所导致的输出位移。考虑到本设计采用弹簧来提供外部应力从而实现MSMA材料形变的恢复，同时在MSMA材料形变伸长时会导致弹簧的进一步压缩以至于弹簧提供的外部应力是一个动态变化的力，因此需要建立一个合理的驱动器的动态位移输出模型。建立的动态位移输出模型如图6所示。

图6 MSMA驱动器位移输出模型

当外加磁场垂直于MSMA材料时，忽略剪切力与纵向应力影响的情况下，在低频磁场即准静态条件下，MSMA材料的轴向应变可以表示为[17-18]：

ε=σ/Ceff+qH，

(4)

B=qσ+μH，

(5)

σ=σ0+kx，

(6)

式中ε为MSMA材料的应变；B为MSMA材料处的磁感应强度；σ为MSMA材料在应变方向的压应力；H为外加磁场强度；Ceff为给定磁场下材料的弹性模量；q为压磁系数；μ为材料在给定应力下的磁导率；σ0为MSMA材料应变方向的受到的预压力；k为弹簧的弹性系数；x为MSMA的伸长量。

因为MSMA材料应变ε=x/l，其中l为MSMA材料形变方向的原长，再联立式(4)和式(6)可得MSMA材料的形变量x为

(7)

忽略线圈的磁漏认为所有的磁力线都会穿过MSMA材料，由电磁定律可知，Φ=BA，式中A为磁力线垂直穿过的MSMA材料截面面积。等式(5)两边同乘A并与式(6)联立可得：

Φ=q(σ0+kx)A+μHA.

(8)

NI=ΦR.

(9)

联立式(7)～(9)可得：

(10)

从式(10)中可以看出磁控形状记忆合金驱动器的输出位移x是σ0与和I有关的的二元函数。当σ0为定值时，x与I之间为正相关关系；当I为定值时，x与σ0之间为负相关关系，且这两种正、负相关是非线性的，因为在MSMA材料的形变过程中给定磁场下材料的弹性模量Ceff、压磁系数q、导磁率μ的取值是一个动态变化的过程。按预压力σ0为0N，最大应变下的磁场强度H=500 KA/m计算可得驱动器的输出位移约为1.12 mm。

3 样机试验

为验证驱动器结构设计的合理性及在实际应用下的可行性，根据已设计的结构制作实物样机如图7所示，并搭建实验测试平台对驱动器性能进行测试，测试平台如图8。

图7 实物样机 1—MSMA；2—线圈；3—调节螺母； 4—推杆；5—复位弹簧；6—磁芯 图8 实验测试平台1—磁控形状记忆合金驱动器样机；2—激光位移传感器；3—显示器；4—直流稳压电源

通过改变直流稳压电源的输出电流的大小给驱动线圈提供不同的驱动电流；再通过拧动调节螺母来改变弹簧预压力，为MSMA提供不同的外部应力；最后由激光位移传感器测量驱动器推杆的垂直位移量。实验所得不同电流下与不同外部应力作用下驱动器推杆的输出位移情况如图9所示。

图9 不同预压力下驱动器输出位移随电流变化的情况

从图9可以看出，当外部应力值为0 N时，最大输出位移为1.07 mm；外部应力值为4 N时，最大输出位移为0.97 mm；外部应力值为6 N时，最大输出位移为0.64 mm；外部应力值为8 N时，最大输出位移为0.56 mm。外部应力相同时，随着电流的增大，在达到最大输出位移前，驱动器的输出位移不断增大，且曲线的斜率主要在出现形变到达到最大形变之前出现最大值。外部应力的增大会导致驱动器位移的减小，两者呈现负相关关系，最大形变出现前外部应力与位移大小之间的负相关是非线性的，与动态位移输出模型中所得出的结论基本相符。理论模型的计算值与实验所得的驱动器输出位移出现了一定程度上的误差，造成这一现象的可能原因有：(1)驱动器零件加工精度的不足；(2)线圈缠绕不均匀，穿过MSMA材料的磁力线紊乱；(3)实验过程中出现低频振动，影响了激光位移传感器的测量精度。

4 结束语

设计了一种新型驱动器，以MSMA材料为驱动元件，基于MSMA的磁致伸缩原理设计了驱动器的整体结构，采用有限元仿真软件COMSOL对磁路进行仿真。同时建立了驱动器的位移输出模型，通过计算得到驱动器最大输出位移为1.12 mm。制作了实物样机并进行性能测试，测试得到输出位移最大可以达到1.07 mm，理论计算与实验结果较为相符，表明该装置设计合理，实现了驱动器较大的位移输出，具有一定的应用研究价值。