磁控形状记忆合金蠕动型直线电机研究

2017-04-11 11:57:11 大云网　点击量：评论 (0)

核心提示：　　现代工业，特别是微型机器人和计算机控制技术的发展，对体积小、重量轻和高力能密度运动及位置控制直线执行器的要求越来越高。采用传统基金项目：国家自然科学基金项目150177019）=技术制造的直线

核心提示：　　现代工业，特别是微型机器人和计算机控制技术的发展，对体积小、重量轻和高力能密度运动及位置控制直线执行器的要求越来越高。采用传统基金项目：国家自然科学基金项目150177019）=技术制造的直线电机

　　现代工业，特别是微型机器人和计算机控制技术的发展，对体积小、重量轻和高力能密度运动及位置控制直线执行器的要求越来越高。采用传统基金项目：国家自然科学基金项目150177019）=技术制造的直线电机不仅功率密度低，而且需要机械传动机构或变速系统，致使结构与控制技术比较复杂。为此，利用新型功能材料制造直线电机的研究受到人们的关注。目前这类材料的代表是压电陶瓷、磁致伸缩材料以及形状记忆合金。压电陶瓷在电场作用下的变形率为。3|jm/mm，超磁致伸缩材料在磁场作用下的变形率为1.6|jm/mm.上述两种材料的变形量过小，难以直接用于制造直线电机。

　　形状记忆合金的变形率较大，可达6080|jm/mm，较适合于制造直线电机。形状记忆合金有温控型和磁控型两种，前者是靠温度变化来控制材料的变形，后者是用改变磁场的大小来控制材料的变形。由于升温和降温皆需要一个过程，从而限制了温控型执行器的动态响应速度及应用范围。

　　MemoryAlloy）是1993年才被发现的一种新型具有形状记忆功能的合金材料，不仅变形率大，而且易于控制，变形率与所施加的磁场强度有较好的线性关系；动态响应速度高，是温控型形状记忆合金频率响应的80倍，可以满足一般自动控制系统对执行器动态响应速度的要求；具有较高的能量转换效率和功率密度。

　　本文首先介绍MSM材料在磁场作用下的变形机理与磁控特性，然后分析利用仿生学蠕动原理将MSM小步距的位移累加形成直线电机所需要的大行程的工作原理，而后论述蠕动型MSM直线电机的设计与控制方法，最后给出样机的试验结果。

　　2MSM材料的变形机理与磁控特性左夹钳松开磁控形状记忆功能可用磁的各向异性解释。为磁场作用下MSM晶体结构调整取向的原理示意图。孪晶的短轴C图中的r轴）是易磁化方向，在没有外磁场的情况下沿元件的长轴取向，如（a）所示。在外磁场作用下另外的孪晶变异体出现并逐渐增长，如（b）所示孪晶变异体的边界被外磁场所移动。当磁场能量足够大时，晶胞的易磁化轴Cr轴）转向外部磁场方向，如（c）所tk.在外磁场作用下，MSM元件的长度变化为以即晶胞的长短轴之比。

　　290°左右）施加磁场，方可获得最大变形；②在同一磁场方向下，磁场强度C或磁通密度）越大，MSM所产生的变形越大；③在与MSM易磁化轴110°和290°方向施加磁场具有相同的效果，说明用以产生磁场的励磁绕组既可以通直流，也可以通交流电流励磁。

　　3蠕动型MSM直线电机的工作原理尽管MSM的变形量较大，但直接用以制造大行程的的直线电机比较困难，一是需要用MSM较多成本较高，二是体积大所需励磁功率较大。比较经济实用的方法是基于仿生学爬行动物蠕动原理，将MSM小步距的位移连续累加形成直线电机所需要的大行程。蠕动型MSM直线电机的工作原理如所示。右夹钳在磁场作用下MSM变形后具有形状记忆功能，即外磁场去掉后MSM保持变形后的形状不变。

　　恢复其原始形状一般有两种方法：一是将磁场方向旋转90°即沿变形后MSM的晶胞长轴方向施加磁场使其在磁场作用下旋转回到原始位置；二是通过对变形后的MSM晶胞长轴方向施加一定压力使其恢复原形。

　　所示为妖-猛-镓磁控形状记忆合金试件在不同磁场强度及磁场方向下自由变形率C未承受外压力时的变形率）的，在轴向磁场作用下MSM的易磁化方向C晶格短轴方向）趋向于水平方向。欲使直线电机向左运动，将左夹钳松开而右夹钳加紧，如（a）所示。然后将施加磁场方向由轴向改为垂直方向，MSM的易磁化方向C晶格短轴方向）因趋向于垂直方向而使MSM水平方向伸长，由于轴被右夹钳加紧，MSM只能向左伸长，如（b）所示。

　　在去掉垂直方向磁场之前，使左夹钳加紧而右夹钳松开，如（c）所示。当磁场由垂直方向改为水平方向后，因轴被左夹钳夹住，MSM在水平方向磁场作用下只能由右向左收缩恢复原形，这样相当于直线电机向左移动了一步，如（d）所示。重复上述操作，直线电机便可连续运动。改变左右夹钳的控制顺序便可使其反方向运动。

　　4MSM蠕动型直线电机设计4.1MSM直线电机总体结构设计采用所示MSM直接带动位移输出轴的结构，MSM元件移动范围较大，因而所需要的磁路体积较大和励磁功率较大。如果采用所示的结构，MSM仅需要单步位移而不需要在整个直线电机全行程上移动，故可使磁路和励磁绕组体积大为减小。

　　所示直线电机的懦动工作原理与所示相似。欲使移动轴左移，加磁场前先使左夹钳加紧而右夹钳松开，在垂直方向的磁场作用下，MSM将沿水平方向伸长，由于MSM的右端被非导磁壳体所阻挡而只能向左伸长，通过连杆和左夹钳带动移动轴左移，然后使右夹钳加紧而左夹钳松开。当去掉磁场时，MSM在弹簧压力下恢复到施加磁场之前的形状，连杆和左夹钳随之右移，移动轴则被右夹钳所固定不动。然后使左夹钳加紧而右夹钳松开，再次施加磁场后移动轴将再左移一步。重复上述步骤移动轴将一步步向左移动。改变左右夹钳的控制逻辑，则可使移动轴向右移动。

　　MSM蠕动型直线电机结构原理。2MSM尺寸与弹簧压力的确定MSM蠕动型直线电机的移动速度可表示为磁场的次数（每秒移动的步数）；为MSM材料的变形率，其值为磁场强度丑和沿伸长方向所受压力p的函数。

　　设计MSM直线电机必须已知MSM材料的磁控特性￡（//，川。

　　所示为在不同预压力下MSM材料的磁控特性曲线。可以看出，不同预压力下MSM的磁控特性曲线非常复杂，不仅示具有饱和特性的非线性关系，而且具有滞环特性。必须根据直线电机负载压力的大小和步距QMSM的变形量）的要求适当选取MSM材料的尺寸。

　　在不同预压力下MSM材料的磁控特性MSM材料的一般选用如所不的长方形，其长度/为变形伸长方向，主要取决于MSM变形量的要求。高/为施加磁场方向，由于MSM的相对于空气的导磁率仅为1.5~40，为了减少磁场励磁绕组的安匝数，一般//取值较小。宽度ft的取值则由MSM所承受负载压力而定。

　　MSM材料尺寸的确定在MSM的应用中，必须解决去掉磁场后材料恢复变形问题。虽然可以通过沿变形伸长方向C/方向）施加磁场使其恢复原形，然而如所示，MSM材料的长度/远大于高度/，沿/方向施加足以使材料恢复变形的磁场所需要的励磁功率过大而难以实现，因而使材料恢复原形的方法通常采用外加弹簧，如所示。采用弹簧恢复变形方式虽然便于实现，但也存在不利因素：①弹簧压力相当于MSM材料承受负载力的一部分，因而加弹簧后使直线电机的负载输出能力有所降低；②弹簧压力必须与MSM材料恢复变形所需要的压力相匹配，而对弹簧压力难以进行实时控制。

　　时压力与变形函数关系的试验曲线。可以看出，在MSM材料的变形率<4%时，恢复变形所需要的压力不大且基本为一常数，而当变形率超过4%后，材料承受的压力急剧增加。MSM材料刚度的这种显著变化，是因为在变形率小于4%时，MSM材料晶格的易磁化轴在外磁场作用下逐渐趋向磁场方向，此时不需要太大的压力就可使易磁化轴恢复其原来的方向；而当变形率超过4%时，晶格易磁化轴已完成对外磁场的取向，此时必须在很大的外P压力下才可使其恢复原形。因此必须根据所要求的材料变形率及输出负载力的大小，精心设计恢复MSM材料所需要的弹簧。为了便于调整恢复弹簧的预压力，一般需要设置一个弹簧压力调整装置，如1所示。

　　励磁绕组在进行励磁绕组初步设计时，可按"=2.5考虑，即材料自由变形率为3.5%时所需要的磁场强度为丑=0.5/（2.5x4jix107）=159心的导磁率为空气导磁率的数千倍，可忽略不计磁路中铁心部分的磁压降，而认为磁动势全部用于克服磁路气隙部分的磁压降。假设铁心开口气隙的长度为g=6mm，根据安培环路定律，则有//和g分别为气隙中的磁场强度和气隙长。

　　将上述所需要的//值和气隙长度g值代入（3）式，可求得所需要的励磁安匝数为M=954.9A.选择导线直径和电流密度后，便可具体决定励磁绕组的参数和铁心尺寸。磁路和励磁绕组的准确设计可以通过有限元磁场分析进行校合。

　　4.4控制系统设计MSM蠕动型直线电机的控制系统应具有下述功能：①根据对直线电机运动速度的要求确定励磁绕组电流的大小和频率；②根据电机运动方向要求的逻辑关系，控制左右夹钳的夹紧和松开；③根据位置检测信号确定位移指令。具有位置和电流闭环的控制系统原理框图如所示。

　　MSM励磁磁路及绕组结构根据MSM变形率的要求可确定所需要的磁场强度，从而确定励磁绕组的安匝数。如要求MSM在无预压力下的自由变形率为3.5%，由可知所需要的磁通密度为0.5T，而磁通密度B与磁场强度H的关系为为MSM材料相对于空气的导磁率，其值不是一个常数，而是取决于所加的磁场强度和材料的变形，当沿伸长变形垂直方向施加磁场而材料晶格完成磁场取向后的相对导磁率约为2.5. 5样机设计与试验所研制的蠕动型直线电机外型如0所示。MSM元件及其压力弹簧调整装置的放大图如1 -M所示。

　　MSM元件尺寸为5x5x20mm，力D0.6T磁场后实测变形率约为4%，加磁场前后MSM元件形状对比如2所示。

　　3所示为MSM直线电机位移与磁场励磁绕组电流关系的为MSM直线电机位移与磁场励磁绕组通电频率的关系，励磁电流保持不变为3.5A. MSM非导磁槽弹簧调整螺帽1MSM与压力弹簧装配加磁场前后MSM元件变形量的比较个4通电频率与位移的关系曲线可以看出，励磁电流频率由2Hz减为1Hz时，直线电机的步距不变，由于步速降低而使移动同样的距离所需要的时间成倍增加。

　　6结论磁控形状记忆合金兼有压电陶瓷和磁致伸缩材料响应频率快和温控形状记忆合金输出应变和应力大的优点，有望成为未来新一代执行器的关键材料。利用仿生学蠕动原理，可用磁控形状记忆合金制造大行程的直线电机。样机的成功研制和试验结果，不仅验证了磁控形状记忆合金优良的磁控特性，而且证明了磁控形状记忆合金蠕动型直线电机设计的可行性。然而，作为一种问世不久的新型材料，磁控形状记忆合金的某些特性还不够理想，需要进一步提尚。