基于TbDyFe合金的復合懸臂梁式致動器結構設計

謝長生+曾宇露+胡鐘健+曹清華

摘 要： 本文以TbDyFe合金為驅動源，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動結構，主要包括磁路的分析、Terfenol-D薄片黏合的數量及位置。運用有限元仿真軟件COMSOL Multipysics對致動器及驅動結構的電磁回路進行仿真分析，利用分析結果對致動器結構進行優化設計，結構和性能更加優異。

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、可靠性高等優勢，而且采用磁場驅動，可以實現無纜驅動[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，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-基底懸臂梁系統彎曲問題的嚴格解，針對材料的幾何參數和物理參數著重分析研究構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薄片連續黏合在致動器基體上進行驅動，多片小尺寸薄片的黏合既可避免單片薄片驅動力不足，又避免大尺寸薄片驅動彎曲時容易發生破碎的缺陷，薄片在磁場的驅動下將沿彈性基底長度方向也就是Terfenol-D伸長方向發生伸長或縮短，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生收縮，從而產生彎曲變形，彎曲量跟磁場大小相關，通過實現對磁場的控制可精密控制致動器的開啟量，從而實現對控制量的精密控制。

2.1致動器結構設計

選用熱處理后的鈹青銅進行線切割成尺寸規格為80×9×0.5mm，并以此作為致動器基底尺寸，此時Terfenol-D薄片跟致動器的結構尺寸都已確定，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。

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驅動結構磁路設計

圓柱線圈產生最大磁場強度是線圈的內徑范圍內，可將Terfenol-D薄片置于這個區域內以提高能量的利用率，驅動結構的主要組成部分有線圈、線圈骨架、組芯（放置在骨架內，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驅動薄片磁力線多；

（2）減少磁漏，使驅動薄片的磁通量盡量最大化。驅動結構示意圖及磁回路見圖2所示

結語

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薄片黏合的數量及位置的計算，對致動器結構進行結構設計，使其結構和性能更加優異。

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微機電系統光纖連接器陣列的研制.傳感器與微系統，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化.中國科學E輯：技術科學，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。