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1、1基于永磁的超磁致伸缩机构基于永磁的超磁致伸缩机构的应用的应用王磊 唐久斌 张山收到:2007 年 12 月 13 /受理: 2009 年 6 月 15 日/出版:2009 年 7 月 15 日施普林格 2009 年于伦敦摘要摘要：超磁致伸缩致动器的有一些独特的功能,如精密的位置分辨率,几牛耳的能量输出，快速的频率响应等特点，所以它适用于超精度测量和超精密加工领域。由于温度的影响，传统基于永磁体的超磁致伸缩机构的位移必定呈现非线性特征。为了避免产生这个问题，本文中将提出另一种基于永磁体的超磁致伸缩机构。驱动磁场如果是永久磁场，那么由于强磁致伸缩机构的电磁学转化模式可以避免产生集肤效应和涡流损耗
2、，此时致动器的性能明显好于其基于电磁转化的情况。本文中对这个驱动方式的结构及原理进行了阐述，并主要通过一些关键参数探讨了场强对磁场均匀性的影响。最后，通过反复的位移和蠕变的实验，证明基于永磁体的执行机构的驱动方式是先进的。关键字关键字：磁致伸缩 微位移 执行机构 永磁转化 涡流1 简介简介 在超精密测量领域和制造行业，微位移致动器，因其具备一定的高性能，总是处于一个关键的位置1-4，这里的高表现在高位分辨率，大功率输出，响应速度快，低蠕变。目前某些类型的微位移致动器含有一些特点5-8如上所述，例如电热微位移致动器，电磁微位移致动器，压电陶瓷执行器,形状记忆合金致动器等。但这些执行机构不具备所有
3、的特征,这在超精密测量和加工领域是很关键的。因此，随着超磁致伸缩材料的出现，一种拥有上述所有功能的致动器已经被研制出来。日本茨城大学研制的超磁致伸缩致动器是基于电磁驱动方式的2转换和刚被提出的偏置磁场对提高线性位移的作用。为进一步提高定位精度,温度效应必须加以考虑。如果温度差控制在 0.01C 以内，则定位精度应该是5nm。美国 ETREMA 制品有限公司同时也开发出一种超磁致伸缩致动器，其性能优良,在上千赫带宽时具有 800 1000 N 输出。拥有上述高性能的超磁致伸缩执行器都是基于电磁驱动方式改造的，其工作原理如图 1。图 1 基于电磁转化的磁致伸缩致动器的原理图（1）柔性铰链（2）永磁
4、体（3）Terfenol-D 杆（4）框架（4）壳（4）电磁（4）预紧螺栓使用螺线管的电磁驱动方式转化无法避免集肤效应和涡流引起的能量损失。温度的变化会引起非线性驱动磁场，此时涡流造成的能量损失将更多，比如频率损耗以及增大电流后的代价。对致动器的实验见图 1。温度与螺线管中电流之间的关系已经得出，见图 2 和图 3。图 2 螺线管电流与温度曲线3图 3 当电流为 0.1A 时温度随时间变化曲线当电流达到 1.2A，致动器的温度会在 20C 上下变化。当电流达到 1.0A，温度将在 50 分钟内大幅变动。因此,电磁驱动方式转变具有的内在缺点制约了超磁致伸缩致动器的性能得到进一步的提高。为解决这些
5、问题,进一步提高致动器的性能，在本文中对基于使用永磁场的超磁致伸缩致动器进行了综述。当磁场变化时将原有磁场替换成永磁场，定位的准确性和稳定性得到了大幅提升。（见表 1）序号单位参数123环境温度温度传感器供电231C 精度0.02C 量程0100C 分辨率2mA 量程-2A+2A2 永磁体空间磁场驱动方式转化永磁体空间磁场驱动方式转化永磁体空间磁场驱动方式转化与电磁转化有很大不同。驱动磁场和产生的偏置磁场都是永久磁场。磁场强度与永磁体和外部结构之间的气隙长度有关。当气隙长度改变时，任何角度的致动器的驱动磁场强度都将改变。所以，致动器的特点仅仅取决于永久磁场。永久磁场的参数包括气隙长度，永久磁场
6、的半径，磁场的均匀性等。2.1 执行机构的传动方式和结构执行机构的传动方式和结构基于永磁转变的超磁致伸缩致动器的驱动方式和结构如图 4 所示。4图 4 基于永磁场改造的超磁致伸缩致动器原理图致动器包括六个部分,永磁材料、稀土超磁致伸缩杆(Terfenol-D 杆),柔性铰链、螺丝、预紧螺栓,导螺杆。螺栓和柔性铰链构成施力机制。通过拧紧导螺杆使螺栓对 Terfenol-D 杆和柔性铰链施力。通过螺栓的施力使柔性铰链对Terfenol-D 杆产生一定的预紧力，因为柔性铰链是一个有弹性的单元。预紧力的值通常是 0 15 MPa，执行器的最大位移输出根据预紧力值的不同而不同。永磁体固定在导螺杆的一边，
7、永磁体在原来位置的磁场强度与 Terfenol-D 杆产生的偏置磁场相对应。偏置磁场应当在 8 36 卡/米。驱动磁场的值取决于相应的永磁场与螺丝间的气隙磁场。柔性铰链被 Terfenol-D 杆容纳并使柔性铰链转变为 Terfenol-D 对微位移的张力。根据力与位移的相应关系绘制的曲线遵循胡克定律。因为没有电流形成，传动方式不会受集肤效应和涡流损耗的影响。Terfenol-D 产生的力与气隙的长度呈线性关系。2.2 永磁场的模型永磁场的模型为获得精密的驱动磁场，永磁场的磁场强度必须计算出来。当磁致伸缩致动器的巨型框架中没有软磁材料时，永磁体外的标量 能得出永磁场的磁场强度9，10，（1）
8、dVrrrr 00041vvvv其中，是视角的坐标，是坐标积分点，是体积电荷密度， V 是气0rvrv rv隙的体积。由于执行机构的各向同性材料的关系，在均匀磁化前提下，我们用高斯定律将 Eq.1 推导成 Eq.2，（2）crrSdsm m 0041vvv 5此时 s 是永磁体的截面积，c 是积分常数。磁势都取决于参考点，所以超磁致伸缩器的驱动磁场被描述成磁场的分布而非磁势的分布。所以 Eq.2 能推导出以下公式 Eq.3：（3）sm mrrdSH004vv根据边界条件 Eq.4，（4）rmBn（其中 n 是永磁体外表面的单位向量。 ）得 Eq.5，（5）dS rrrrHsm 3 0004vv
9、vv2.3 永磁强度的计算和优化永磁强度的计算和优化如公式 Eq.5 所示，空心圆柱式永磁体周围空气中分布的永磁强度与永磁体的气隙相对应，但是真正的磁场强度分布受其他因素的影响，例如，受气隙截面积的影响。为提高驱动磁场的值和均匀性，文中将用有限元法优化分析超磁致伸缩致动器的永磁体的磁场分布。当外径不变时，永磁体空间磁场的值和均匀性会根据空心圆柱永磁体内径的改变而改变。有限元分析是用来确定内径 a的影响，可通过改变空心圆柱永磁体的内径分析驱动磁场的值和均匀性。图 5 受内径影响的磁感强度之值和均匀性分析曲线如图 5 所示，在理想的截面积下，执行机构轴上的驱动磁场分布随内径 a的变化而变化。因此,
10、我们可以得出这样的结论:轴中的磁场值的大小由内径 a 决定。通过分析，当内径 a 为 0 时磁感强度的值最低。当内部气隙空间增大时驱6动磁感强度的大小会增加。但是，当大于 5mm 时，磁感强度的值将减少。轴上a 为 46mm62mm 时的每个磁感强度的值都显示在图 6 中。图 6 当 a 不同情况下的磁感强度曲线当气隙增加时，磁感应强度的线性度将更好。当 a 等于 35mm 时线性度最好。磁感应强度的值和线性度都是很重要的因素。所以,可以肯定的是，对驱动磁场的性能而言 a 等于 20mm 时的磁感应强度值是最好的。通过理论分析、永磁体空间磁场的值也受到永久磁铁的初始位置的影响。磁场与初始位置之
11、间关于其值与均匀性的关系见图 7。图 7 原始位置的影响3 实验实验基于使用永磁改造的超磁致伸缩致动器被放在一个空气隔离的平台内。周边的环境温度控制在 201C。超磁致伸缩棒的长度是 80mm,半径 5mm。用容量传感器监视测量单元的位移。容量传感器的范围是 03m，分辨率是 1nm。实验项目包括不同预紧力和位置蠕变情况下位移与气隙之间的关系。 （如图 8）7图 8 样机试验系统3.1 位移实验位移实验改变气隙磁场会改变执行机构的驱动磁场。同时,根据预紧力的不同，能观测到执行机构的位移随气隙磁场的变化而变化。在实验流程中通过旋紧螺栓的程度不同来施加预紧力，并且可用贴在柔性铰链上的张力测量传感器
12、测得预紧力的值。通过实验结果得到了位移与气隙间的关系曲线。基于永磁体改造的执行机构的位移与气隙间的关系是近似线性的，如图 9 和图 10 所示，预紧力提高后线性度会更好。我们发现，当预紧力为 800N 时线性度最好。图 9 当预紧力为 300N 时执行机构位移与气隙长度的关系8图 10 当预紧力为 800N 时执行机构位移与气隙长度的关系3.2 蠕变实验蠕变实验被称为位移的漂移的蠕变值对任何执行机构来说都是重要的一个参数。如果不计及蠕变，当执行机构的驱动信号固定不变时，位移执行机构也应该是不变的。但任何致动器都不能避免蠕变位移。如图 11 所示，蠕变的最大值大概在10nm 每 20 分钟。所以
13、基于永磁改造的致动器的蠕变是非常小的。图 11 不同气隙长度下基于永磁改造的超磁致伸缩致动器的蠕变曲线94 结论为了解决涡流损耗，本文中对基于永磁的超磁致伸缩致动器作了综述。永磁体被用来驱动 Terfenol-D 杆的磁场是一种非常先进的方式，并且这种方式避免了由集肤效应和涡流损耗引起的温度变化的影响。本文中用有限元法对永磁体空间磁场性能的优化进行了分析。并且一些关键参数的影响也进行了分析。在最后一部分中，通过位移实验和蠕变实验证实：基于使用永磁转换的超磁致伸缩致动器比电磁驱动的致动器在位移的线性度和位移的最小蠕变方面有更好的表现。参考文献参考文献1. Chen Q, Konrad A (19
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