磁控形狀記憶合金蠕動型直線電機研究

2017-04-11 11:57:11 大云網　點擊量：評論 (0)

核心提示：　　現代工業，特別是微型機器人和計算機控制技術的發展，對體積小、重量輕和高力能密度運動及位置控制直線執行器的要求越來越高。采用傳統基金項目：國家自然科學基金項目150177019）=技術制造的直線

核心提示：　　現代工業，特別是微型機器人和計算機控制技術的發展，對體積小、重量輕和高力能密度運動及位置控制直線執行器的要求越來越高。采用傳統基金項目：國家自然科學基金項目150177019）=技術制造的直線電機

　　現代工業，特別是微型機器人和計算機控制技術的發展，對體積小、重量輕和高力能密度運動及位置控制直線執行器的要求越來越高。采用傳統基金項目：國家自然科學基金項目150177019）=技術制造的直線電機不僅功率密度低，而且需要機械傳動機構或變速系統，致使結構與控制技術比較復雜。為此，利用新型功能材料制造直線電機的研究受到人們的關注。目前這類材料的代表是壓電陶瓷、磁致伸縮材料以及形狀記憶合金。壓電陶瓷在電場作用下的變形率為。3|jm/mm，超磁致伸縮材料在磁場作用下的變形率為1.6|jm/mm.上述兩種材料的變形量過小，難以直接用于制造直線電機。

　　形狀記憶合金的變形率較大，可達6080|jm/mm，較適合于制造直線電機。形狀記憶合金有溫控型和磁控型兩種，前者是靠溫度變化來控制材料的變形，后者是用改變磁場的大小來控制材料的變形。由于升溫和降溫皆需要一個過程，從而限制了溫控型執行器的動態響應速度及應用范圍。

　　MemoryAlloy）是1993年才被發現的一種新型具有形狀記憶功能的合金材料，不僅變形率大，而且易于控制，變形率與所施加的磁場強度有較好的線性關系；動態響應速度高，是溫控型形狀記憶合金頻率響應的80倍，可以滿足一般自動控制系統對執行器動態響應速度的要求；具有較高的能量轉換效率和功率密度。

　　本文首先介紹MSM材料在磁場作用下的變形機理與磁控特性，然后分析利用仿生學蠕動原理將MSM小步距的位移累加形成直線電機所需要的大行程的工作原理，而后論述蠕動型MSM直線電機的設計與控制方法，最后給出樣機的試驗結果。

　　2MSM材料的變形機理與磁控特性左夾鉗松開磁控形狀記憶功能可用磁的各向異性解釋。為磁場作用下MSM晶體結構調整取向的原理示意圖。孿晶的短軸C圖中的r軸）是易磁化方向，在沒有外磁場的情況下沿元件的長軸取向，如（a）所示。在外磁場作用下另外的孿晶變異體出現并逐漸增長，如（b）所示孿晶變異體的邊界被外磁場所移動。當磁場能量足夠大時，晶胞的易磁化軸Cr軸）轉向外部磁場方向，如（c）所tk.在外磁場作用下，MSM元件的長度變化為以即晶胞的長短軸之比。

　　290°左右）施加磁場，方可獲得最大變形；②在同一磁場方向下，磁場強度C或磁通密度）越大，MSM所產生的變形越大；③在與MSM易磁化軸110°和290°方向施加磁場具有相同的效果，說明用以產生磁場的勵磁繞組既可以通直流，也可以通交流電流勵磁。

　　3蠕動型MSM直線電機的工作原理盡管MSM的變形量較大，但直接用以制造大行程的的直線電機比較困難，一是需要用MSM較多成本較高，二是體積大所需勵磁功率較大。比較經濟實用的方法是基于仿生學爬行動物蠕動原理，將MSM小步距的位移連續累加形成直線電機所需要的大行程。蠕動型MSM直線電機的工作原理如所示。右夾鉗在磁場作用下MSM變形后具有形狀記憶功能，即外磁場去掉后MSM保持變形后的形狀不變。

　　恢復其原始形狀一般有兩種方法：一是將磁場方向旋轉90°即沿變形后MSM的晶胞長軸方向施加磁場使其在磁場作用下旋轉回到原始位置；二是通過對變形后的MSM晶胞長軸方向施加一定壓力使其恢復原形。

　　所示為妖-猛-鎵磁控形狀記憶合金試件在不同磁場強度及磁場方向下自由變形率C未承受外壓力時的變形率）的，在軸向磁場作用下MSM的易磁化方向C晶格短軸方向）趨向于水平方向。欲使直線電機向左運動，將左夾鉗松開而右夾鉗加緊，如（a）所示。然后將施加磁場方向由軸向改為垂直方向，MSM的易磁化方向C晶格短軸方向）因趨向于垂直方向而使MSM水平方向伸長，由于軸被右夾鉗加緊，MSM只能向左伸長，如（b）所示。

　　在去掉垂直方向磁場之前，使左夾鉗加緊而右夾鉗松開，如（c）所示。當磁場由垂直方向改為水平方向后，因軸被左夾鉗夾住，MSM在水平方向磁場作用下只能由右向左收縮恢復原形，這樣相當于直線電機向左移動了一步，如（d）所示。重復上述操作，直線電機便可連續運動。改變左右夾鉗的控制順序便可使其反方向運動。

　　4MSM蠕動型直線電機設計4.1MSM直線電機總體結構設計采用所示MSM直接帶動位移輸出軸的結構，MSM元件移動范圍較大，因而所需要的磁路體積較大和勵磁功率較大。如果采用所示的結構，MSM僅需要單步位移而不需要在整個直線電機全行程上移動，故可使磁路和勵磁繞組體積大為減小。

　　所示直線電機的懦動工作原理與所示相似。欲使移動軸左移，加磁場前先使左夾鉗加緊而右夾鉗松開，在垂直方向的磁場作用下，MSM將沿水平方向伸長，由于MSM的右端被非導磁殼體所阻擋而只能向左伸長，通過連桿和左夾鉗帶動移動軸左移，然后使右夾鉗加緊而左夾鉗松開。當去掉磁場時，MSM在彈簧壓力下恢復到施加磁場之前的形狀，連桿和左夾鉗隨之右移，移動軸則被右夾鉗所固定不動。然后使左夾鉗加緊而右夾鉗松開，再次施加磁場后移動軸將再左移一步。重復上述步驟移動軸將一步步向左移動。改變左右夾鉗的控制邏輯，則可使移動軸向右移動。

　　MSM蠕動型直線電機結構原理。2MSM尺寸與彈簧壓力的確定MSM蠕動型直線電機的移動速度可表示為磁場的次數（每秒移動的步數）；為MSM材料的變形率，其值為磁場強度丑和沿伸長方向所受壓力p的函數。

　　設計MSM直線電機必須已知MSM材料的磁控特性￡（//，川。

　　所示為在不同預壓力下MSM材料的磁控特性曲線?？梢钥闯觯煌A壓力下MSM的磁控特性曲線非常復雜，不僅示具有飽和特性的非線性關系，而且具有滯環特性。必須根據直線電機負載壓力的大小和步距QMSM的變形量）的要求適當選取MSM材料的尺寸。

　　在不同預壓力下MSM材料的磁控特性MSM材料的一般選用如所不的長方形，其長度/為變形伸長方向，主要取決于MSM變形量的要求。高/為施加磁場方向，由于MSM的相對于空氣的導磁率僅為1.5~40，為了減少磁場勵磁繞組的安匝數，一般//取值較小。寬度ft的取值則由MSM所承受負載壓力而定。

　　MSM材料尺寸的確定在MSM的應用中，必須解決去掉磁場后材料恢復變形問題。雖然可以通過沿變形伸長方向C/方向）施加磁場使其恢復原形，然而如所示，MSM材料的長度/遠大于高度/，沿/方向施加足以使材料恢復變形的磁場所需要的勵磁功率過大而難以實現，因而使材料恢復原形的方法通常采用外加彈簧，如所示。采用彈簧恢復變形方式雖然便于實現，但也存在不利因素：①彈簧壓力相當于MSM材料承受負載力的一部分，因而加彈簧后使直線電機的負載輸出能力有所降低；②彈簧壓力必須與MSM材料恢復變形所需要的壓力相匹配，而對彈簧壓力難以進行實時控制。

　　時壓力與變形函數關系的試驗曲線?？梢钥闯觯贛SM材料的變形率<4%時，恢復變形所需要的壓力不大且基本為一常數，而當變形率超過4%后，材料承受的壓力急劇增加。MSM材料剛度的這種顯著變化，是因為在變形率小于4%時，MSM材料晶格的易磁化軸在外磁場作用下逐漸趨向磁場方向，此時不需要太大的壓力就可使易磁化軸恢復其原來的方向；而當變形率超過4%時，晶格易磁化軸已完成對外磁場的取向，此時必須在很大的外P壓力下才可使其恢復原形。因此必須根據所要求的材料變形率及輸出負載力的大小，精心設計恢復MSM材料所需要的彈簧。為了便于調整恢復彈簧的預壓力，一般需要設置一個彈簧壓力調整裝置，如1所示。

　　勵磁繞組在進行勵磁繞組初步設計時，可按"=2.5考慮，即材料自由變形率為3.5%時所需要的磁場強度為丑=0.5/（2.5x4jix107）=159心的導磁率為空氣導磁率的數千倍，可忽略不計磁路中鐵心部分的磁壓降，而認為磁動勢全部用于克服磁路氣隙部分的磁壓降。假設鐵心開口氣隙的長度為g=6mm，根據安培環路定律，則有//和g分別為氣隙中的磁場強度和氣隙長。

　　將上述所需要的//值和氣隙長度g值代入（3）式，可求得所需要的勵磁安匝數為M=954.9A.選擇導線直徑和電流密度后，便可具體決定勵磁繞組的參數和鐵心尺寸。磁路和勵磁繞組的準確設計可以通過有限元磁場分析進行校合。

　　4.4控制系統設計MSM蠕動型直線電機的控制系統應具有下述功能：①根據對直線電機運動速度的要求確定勵磁繞組電流的大小和頻率；②根據電機運動方向要求的邏輯關系，控制左右夾鉗的夾緊和松開；③根據位置檢測信號確定位移指令。具有位置和電流閉環的控制系統原理框圖如所示。

　　MSM勵磁磁路及繞組結構根據MSM變形率的要求可確定所需要的磁場強度，從而確定勵磁繞組的安匝數。如要求MSM在無預壓力下的自由變形率為3.5%，由可知所需要的磁通密度為0.5T，而磁通密度B與磁場強度H的關系為為MSM材料相對于空氣的導磁率，其值不是一個常數，而是取決于所加的磁場強度和材料的變形，當沿伸長變形垂直方向施加磁場而材料晶格完成磁場取向后的相對導磁率約為2.5. 5樣機設計與試驗所研制的蠕動型直線電機外型如0所示。MSM元件及其壓力彈簧調整裝置的放大圖如1 -M所示。

　　MSM元件尺寸為5x5x20mm，力D0.6T磁場后實測變形率約為4%，加磁場前后MSM元件形狀對比如2所示。

　　3所示為MSM直線電機位移與磁場勵磁繞組電流關系的為MSM直線電機位移與磁場勵磁繞組通電頻率的關系，勵磁電流保持不變為3.5A. MSM非導磁槽彈簧調整螺帽1MSM與壓力彈簧裝配加磁場前后MSM元件變形量的比較個4通電頻率與位移的關系曲線可以看出，勵磁電流頻率由2Hz減為1Hz時，直線電機的步距不變，由于步速降低而使移動同樣的距離所需要的時間成倍增加。

　　6結論磁控形狀記憶合金兼有壓電陶瓷和磁致伸縮材料響應頻率快和溫控形狀記憶合金輸出應變和應力大的優點，有望成為未來新一代執行器的關鍵材料。利用仿生學蠕動原理，可用磁控形狀記憶合金制造大行程的直線電機。樣機的成功研制和試驗結果，不僅驗證了磁控形狀記憶合金優良的磁控特性，而且證明了磁控形狀記憶合金蠕動型直線電機設計的可行性。然而，作為一種問世不久的新型材料，磁控形狀記憶合金的某些特性還不夠理想，需要進一步提尚。