摘 要 采用高性能Tb0.3Dy0.7Fe2单晶材料,通过优化微位移致动器的机械、磁路参数,研制出了具有非水冷结构的新型微位移致动器。致动器的最大线性工作区间为0.5~35.5μm,工作电压为2~24V,饱和驱动量可达39.5μm。
超磁致伸缩材料(Tb0.3Dy0.7Fe2)的大应变和高能量密度,使它在高精度微位移致动与控制领域获得广泛应用[1]。据报道[2],采用Tb-Dy-Fe材料和辅助水冷系统的微位移致动器,已可实现亚微米到纳米级的超高精度位移致动控制。这引起了诸多高技术领域的专家们的关注。与传统压电陶瓷制成的微位移致动器相比,它具有应变量大、输出力大、机电耦合系数高及储能密度高等优点。
磁致伸缩材料的性能是影响微位移致动器控制精度的核心因素,而致动器结构的简化、成本的降低则是决定它能否实用化的关键。高性能的磁致伸缩材料,在很低的驱动场作用下即可产生出大的伸缩位移,这可以大大简化微位移致动器的结构。与国外普遍采用的Terfenol-D材料相比[3],Tb0.3Dy0.7Fe2单晶由于消除了常出现于这类材料中的孪晶缺陷,因而表现出优异的低场性能,饱和应变量也比Terfenol-D材料高200~400μm。采用这一材料有望设计出结构简单、机电转换效率高的磁致伸缩型微位移致动器。
1 器件设计
本着简单实用的设计原则,围绕大单晶设计其伺服部件,要求结构紧凑、重量轻、体积小、成本低。为此需解决的关键问题有:
(1)充分合理地利用微位移执行器的主激励线圈,既要使它产生所需的激励场又不致使它能耗太多、体积太大;
(2)对RFe2材料施加预应力以提高其磁致伸缩率,避免它在拉伸状态下工作;
(3)预置直流偏场以克服RFe2工作曲线上的“死区”段;
(4)在驱动材料和同轴线圈以及和其它伺服部件间设置隔热层以消除环境温度波动带来的误差。
从现有的Tb0.3Dy0.7Fe2单晶材料的有关特性出发,简化同类设计中常用的繁琐结构,确定图1所示的原理图和一些主要的技术参数:
(1)弹簧机械加压,预应力0~4MPa;
(2)采用Nd2Fe14B永磁体经特制磁靴散场后形成准匀偏场,Hb=56.3mT,波动<1%;
(3)以聚四氟乙稀工程塑料为主体,以较厚电工胶布为辅助隔热层隔绝线圈与晶体、磁靴、外管等材料之间的热传导;
(4)单晶直径为5 ~ 20mm,长度为40 ~60mm,驱动线圈线径为0.2~0.5mm,匝密度为200~300匝/cm,30V时的静场强度为208mT。
2 器件性能
采用千分表及应变片两种方法测量了微位移致动器特性。工作条件是:用直流晶体管稳压电源,驱动电压0~30V,预应力为0~4MPa。有关测试结果见图2、图3。
在图2和图3中,B、C、D、E、F分别对应0MPa、2MPa、2.66MPa、3.2MPa及3.6MPa的预应力。
从图2中可以看到,随预应力的增大,微位移先增大到某一最佳值,随后回落。大致的优劣顺序为3.2MPa、3.6MPa、2.66MPa、2MPa、0MPa。出现这种现象的原因是:应力的存在使得在偏场下的RFe2中磁畴初始阶段不能任意取向,而是集中在垂直于棒轴的方向上,于是耦合了应力各向异性,引发大的“巴克好森”跳跃,从而线性区和饱和值均得以提高。但当预应力进一步增大时,巨大的应力引发了大的磁弹耦合能,造成内部应力太大,阻碍磁畴转动,使线性区和饱和值又有所减少,此时的能量除静磁外,大部分以弹性能的形式储存[4]。
从图3可以看到应变片对RFe2位移的反映与千分表的大致相同(根据公式ΔR/R=kεA可知电阻变化与应变成正比例关系),但也有区别,随预应力的增大位移量也不断增大。这是由于应 变片的敏感栅电阻会随温度的变化而变化,因此有可能引入测量时的温差效应,即随着测量时间的延长,由温度引起的电阻变化耦合在应变引发的电阻变化之中,造成3.6MPa时的读数增大。目前器件的主要性能指标可以达到:
(a)最大线性工作区间为0.5~35.5μm,对应的工作电压为2~24V;
(b)饱和驱动量可达39.5μm,具有较高的实用价值。
而以往的同类器件最大位移量仅有20μm左右,对应工作电压却要高达几十甚至上百伏[5],且原型致动器实物的体积仅为已报导的同类型致动器的1/10~1/3[6]。
3 结论
(1)高性能Tb-Dy-Fe单晶材料具有较大的位移量和线性工作区间,在低场下就可以有较大的位移,提高了器件机电转换效率。最大线性工作区间为0.5~35.5μm,对应工作电压为2~24V;饱和驱动量可达39.5μm。
(2)机械加压、永磁偏场和高效绝热层的特殊设计保证了驱动材料的工作需要,提高了器件的装配精度,简化了致动器的结构,缩小了器件的整体尺寸。降低了成本,为大规模应用创造了条件。
参考文献
1 Clark A E.Ferromagnetic Materials. Amsterdam:North-Holland Publishing Company,1980:533~534
2 Eda H,Kobayashi T, Sahashi M.Pro of the 10th interworkshop on rare-earth materials and their applications.Kyoto,1989:31
3 Li Q. High precision actuator with Tb0.3Dy0.7Fe2singlecrystal. Mate Res Soc Symp Proc,1995, 360(12): 183~187
4 胡明哲.磁致伸缩型执行器的设计及相关特性研究:[学位论文].武汉:武汉理工大学,2000
5 江田弘.传感器应用.传感器技术,1990,10(8):34
6 蒋保成.定向凝固法制备稀土超磁致伸缩材料.功能材料,1997,28(6):570~572
