謝長生+曾宇露+胡鐘健+曹清華

摘 要： 本文以TbDyFe合金為驅(qū)動源，介紹了復合懸臂梁式致動器的工作原理，設計了一種致動器及驅(qū)動結(jié)構(gòu)，主要包括磁路的分析、Terfenol-D薄片黏合的數(shù)量及位置。運用有限元仿真軟件COMSOL Multipysics對致動器及驅(qū)動結(jié)構(gòu)的電磁回路進行仿真分析，利用分析結(jié)果對致動器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，結(jié)構(gòu)和性能更加優(yōu)異。

關鍵詞： TbDyFe 復合懸臂梁 設計

引言

復合懸臂梁是將功能材料與機械懸臂梁復合而成的一種智能型器件，可應用于振動主動控制[1]、力傳感[2]、光反射定位[3]等領域。壓電材料、磁控形狀記憶合金、磁致伸縮材料是應用廣泛的三大功能材料，是目前構(gòu)造復合懸臂梁的理想材料。

1.常用功能材料

TbDyFe是一種新型磁致伸縮合金，具有大應變、高精度、強力及響應快、可靠性高等優(yōu)勢，而且采用磁場驅(qū)動，可以實現(xiàn)無纜驅(qū)動[4]。關于TbDyFe復合懸臂梁的設計，那日蘇、云國宏、榮建紅[5]從最基本的力學平衡方程出發(fā)，獲得了適應于任意磁膜/基底厚度比、自由端施加點荷載的磁膜-基底懸臂梁系統(tǒng)彎曲問題的嚴格解，針對材料的幾何參數(shù)和物理參數(shù)著重分析研究構(gòu)成微致動器懸臂梁的設計。

2.懸臂梁式致動器工作原理

懸臂梁式致動器的工作基本原理如圖1所示，采用多片Terfenol-D薄片連續(xù)黏合在致動器基體上進行驅(qū)動，多片小尺寸薄片的黏合既可避免單片薄片驅(qū)動力不足，又避免大尺寸薄片驅(qū)動彎曲時容易發(fā)生破碎的缺陷，薄片在磁場的驅(qū)動下將沿彈性基底長度方向也就是Terfenol-D伸長方向發(fā)生伸長或縮短，由于基底的上表面與Terfenol-D薄片緊密黏合，基底的上表面將隨之產(chǎn)生收縮，從而產(chǎn)生彎曲變形，彎曲量跟磁場大小相關，通過實現(xiàn)對磁場的控制可精密控制致動器的開啟量，從而實現(xiàn)對控制量的精密控制。

2.1致動器結(jié)構(gòu)設計

選用熱處理后的鈹青銅進行線切割成尺寸規(guī)格為80×9×0.5mm，并以此作為致動器基底尺寸，此時Terfenol-D薄片跟致動器的結(jié)構(gòu)尺寸都已確定，Terfenol-D磁化方向長度lT決定了其最大伸長量Δlmax，超磁致伸縮材料的線性磁致伸縮系數(shù)λ可表示為：

λ=Δl/l（1）

式中，l為材料的長度，Δl為材料長度方向上的變化量。

由（1）可得，Terfenol-D薄片磁化方向最大伸長為：

Δl=λ·l（2）

式中，λs為飽和磁致伸縮系數(shù)。

致動器的工作簡圖如圖1所示，Terfenol-D薄片處于最大變形時，變形量達到最大。

2.2驅(qū)動結(jié)構(gòu)磁路設計

圓柱線圈產(chǎn)生最大磁場強度是線圈的內(nèi)徑范圍內(nèi)，可將Terfenol-D薄片置于這個區(qū)域內(nèi)以提高能量的利用率，驅(qū)動結(jié)構(gòu)的主要組成部分有線圈、線圈骨架、組芯（放置在骨架內(nèi)，以固定閥片的一段）、外殼及端蓋。

為了致動器具有較好的磁機轉(zhuǎn)換效率，磁路設計時應遵循的原則有：

（1）組成致動器磁路的各個零部件選取要合理，以使磁回路中的磁通量大，并且通過Terfenol-D驅(qū)動薄片磁力線多；

（2）減少磁漏，使驅(qū)動薄片的磁通量盡量最大化。驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖及磁回路見圖2所示

結(jié)語

在對復合懸臂梁致動器的工作原理進行研究的基礎上通過磁路分析、Terfenol-D薄片黏合的數(shù)量及位置的計算，對致動器結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設計，使其結(jié)構(gòu)和性能更加優(yōu)異。

參考文獻：

[1]賈振元，劉巍，張永順，等.超磁致伸縮薄膜懸臂梁的非線性變形分析及試驗.機械工程學報，2007，43（12）：5-11.

[2]SupratikDatta，Jayasimha Atulasimha，Alison B Flatau.Modeling of magnetostrictive Galfenol sensor and validation using four point bending test.Journal of Applied Physics，2007，101（9）：09C521.

[3]蔡玉麗，丁桂甫，戴旭涵，等.1×16微機電系統(tǒng)光纖連接器陣列的研制.傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（7）：87-89.

[4]Zhang Yongshun，Wang Huiying，Zhang Ruixia，Gou Rui，Jia Zhenyuan.Bidirectional moving principle of a wireless micro robot based on giant magnetostriction actuator.IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics，IEEE ROBIO，2004：113-118.

[5]那日蘇，云國宏，榮建紅.磁致伸縮薄膜-基底懸臂梁微致動器的設計與優(yōu)化.中國科學E輯：技術(shù)科學，2007，37（7）：914-922.

[6]MA Xikui.Electromagnetic theory and the applications[M].Xian：Xian Jiaotong University Press，2000.

[7]馬慧，王剛.COMSOL Multiphysics基本操作指南和常見問題解答[M].北京：人民交通出版社，2009.

基金項目：本文得到南昌工程學院2015年大學生科研訓練計劃項目資助。