基于超磁致伸縮材料的自感知驅動器設計

嚴思甜 錢晨海 張 宏 張賢才

（湖南科技學院土木與環境工程學院 湖南永州 425199）

引言

超磁致伸縮材料（Giant Magnetostrictive Material，簡稱 GMM），是一種新型的智能材料，具有輸出功率大、能量密度高、響應速度快等特點，其受磁場控制，在工作中存在電、磁、機、熱多個場之間能量傳遞與轉換。本文總結了GMM的材料特性，并基于其特性研發了一種超磁致伸縮自感知驅動器，詳細闡述了驅動器的具體實施方式。

1 GMM基本特性

1.1 GMM的優異性能

與傳統的磁致伸縮材料及壓電陶瓷相比，GMM具有如下優異性能，如表1所示[1]。

1.2 GMM效應及應用

如表2所示，列出了GMM中存在的多場耦合效應及常用應用[1]。

2 超磁致伸縮自感知驅動器設計

基于GMM上述特性及效應，自主設計了一種結構簡單、驅動位移大、驅動力、響應時間快、可反復使用和可靠性高的超磁致伸縮自感知驅動器，如圖1所示。

3 超磁致伸縮自感知驅動器的實施方式

如圖1所示，超磁致伸縮自感知驅動器包括殼體、形狀記憶合金彈簧4、連接桿6、超磁致伸縮棒9、輸出桿13及墊片10，其殼體包括上殼體1-2和下殼體1-1，上殼體1-2的下端通過中間蓋7與下殼體1-1上端連接，下殼體1-1內設有隔熱套筒2和線圈5-1，線圈5-1位于隔熱套筒2內，線圈5-1纏繞在線圈骨架3-1上，線圈5-1的中心處設有形狀記憶合金彈簧4，形狀記憶合金彈簧4上端與連接桿6下端的凸緣連接。

表1 GMM特性描述

表2 GMM效應及常用應用一覽表

圖1 超磁致伸縮自感知驅動器結構示意圖

上殼體1-2的頂部設有頂蓋11，上殼體1-2內設有線圈5-2，線圈5-2纏繞在線圈骨架3-2上，線圈5-2中心處設有超磁致伸縮棒9。線圈骨架3-2的上方和下方分別設有永磁體8-2和永磁體8-1，永磁體8-2和永磁體8-1的形狀、尺寸和材料相同，且磁化方向相同。永磁體8-2頂面上設有墊片10。連接桿6上端穿過中間蓋7與超磁致伸縮棒9下端接觸。所述的輸出桿13上設有凸緣，凸緣位于頂蓋11和墊片10之間，凸緣與頂蓋11之間設有彈簧12；墊片10與凸緣之間通過彈簧12連接。彈簧12采用的是碟形彈簧，碟形彈簧呈螺旋狀，用于對超磁致伸縮棒9的預緊。所述中間蓋7、連接桿6、墊片10均采用非導磁性材料制成。

隔熱套筒2采用微晶玻璃陶瓷制成，隔熱套筒2一方面能有效減少形狀記憶合金彈簧4加熱時向外傳熱損失的熱量，另一方面能起到很好的隔熱效果，避免環境溫度對驅動器的影響及避免熱量傳遞到驅動器的其他地方。隔熱套筒2的頂板上的內孔與連接桿6間隙配合，便于連接桿6的運動。

形狀記憶合金彈簧4采用表面鍍錫的CuZnAl雙行程記憶合金制成，具有相變溫度低的優點。當驅動器為伸長推動的驅動器時，所述形狀記憶合金彈簧4處于伸長狀態的相變溫度為80～95℃。當驅動器為縮回拉動的驅動器時，所述形狀記憶合金彈簧4處于縮短狀態的相變溫度為65～85℃。

當超磁致伸縮自感知驅動器為伸長推動的驅動器時，形狀記憶合金彈簧4采用高溫伸長的CuZnAl記憶合金，依次串聯的兩個驅動單元置于驅動單元內部，依次給串聯的兩個驅動單元通電，當彈簧加熱溫度達到其相變溫度80～95℃時，第一個驅動單元中的形狀記憶合金彈簧伸長，第二個驅動單元內部磁致發生變化，磁場的變化導致超磁致伸縮棒的伸長，此時，驅動器為伸長驅動，驅動器起到推銷器的作用。

當超磁致伸縮自感知驅動器為縮回拉動的驅動器時，驅動器中的彈簧采用高溫縮短的CuZnAl記憶合金，依次串聯的兩個驅動單元處于本身尺寸最長狀態，當給第一個驅動單元中的形狀記憶合金彈簧通電加熱，溫度達到其相變溫度65～85℃時，形狀記憶合金彈簧縮短；第二驅動單元斷電時，其超磁致伸縮棒縮回至原來狀態，驅動兩個驅動單元縮短，最終兩個驅動單元縮短至驅動單元內，驅動器起到拔銷器的作用。

4 結語

從多場耦合的角度分析了GMM基本性能，總結了其電-磁-機-熱多場中GMM的效應及常用應用，基于GMM的基本性能和效應，自主設計了一種超磁致伸縮自感知驅動器，并詳細介紹其具體實施方式。本文研究成果對于GMM的研究及應用具有參考意義和價值。

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