基于TbDyFe合金的复合悬臂梁式致动器结构设计

谢长生+曾宇露+胡钟健+曹清华

摘 要： 本文以TbDyFe合金为驱动源，介绍了复合悬臂梁式致动器的工作原理，设计了一种致动器及驱动结构，主要包括磁路的分析、Terfenol-D薄片黏合的数量及位置。运用有限元仿真软件COMSOL Multipysics对致动器及驱动结构的电磁回路进行仿真分析，利用分析结果对致动器结构进行优化设计，结构和性能更加优异。

关键词： TbDyFe 复合悬臂梁 设计

引言

复合悬臂梁是将功能材料与机械悬臂梁复合而成的一种智能型器件，可应用于振动主动控制[1]、力传感[2]、光反射定位[3]等领域。压电材料、磁控形状记忆合金、磁致伸缩材料是应用广泛的三大功能材料，是目前构造复合悬臂梁的理想材料。

1.常用功能材料

TbDyFe是一种新型磁致伸缩合金，具有大应变、高精度、强力及响应快、可靠性高等优势，而且采用磁场驱动，可以实现无缆驱动[4]。关于TbDyFe复合悬臂梁的设计，那日苏、云国宏、荣建红[5]从最基本的力学平衡方程出发，获得了适应于任意磁膜/基底厚度比、自由端施加点荷载的磁膜-基底悬臂梁系统弯曲问题的严格解，针对材料的几何参数和物理参数着重分析研究构成微致动器悬臂梁的设计。

2.悬臂梁式致动器工作原理

悬臂梁式致动器的工作基本原理如图1所示，采用多片Terfenol-D薄片连续黏合在致动器基体上进行驱动，多片小尺寸薄片的黏合既可避免单片薄片驱动力不足，又避免大尺寸薄片驱动弯曲时容易发生破碎的缺陷，薄片在磁场的驱动下将沿弹性基底长度方向也就是Terfenol-D伸长方向发生伸长或缩短，由于基底的上表面与Terfenol-D薄片紧密黏合，基底的上表面将随之产生收缩，从而产生弯曲变形，弯曲量跟磁场大小相关，通过实现对磁场的控制可精密控制致动器的开启量，从而实现对控制量的精密控制。

2.1致动器结构设计

选用热处理后的铍青铜进行线切割成尺寸规格为80×9×0.5mm，并以此作为致动器基底尺寸，此时Terfenol-D薄片跟致动器的结构尺寸都已确定，Terfenol-D磁化方向长度lT决定了其最大伸长量Δlmax，超磁致伸缩材料的线性磁致伸缩系数λ可表示为：

λ=Δl/l（1）

式中，l为材料的长度，Δl为材料长度方向上的变化量。

由（1）可得，Terfenol-D薄片磁化方向最大伸长为：

Δl=λ·l（2）

式中，λs为饱和磁致伸缩系数。

致动器的工作简图如图1所示，Terfenol-D薄片处于最大变形时，变形量达到最大。

2.2驱动结构磁路设计

圆柱线圈产生最大磁场强度是线圈的内径范围内，可将Terfenol-D薄片置于这个区域内以提高能量的利用率，驱动结构的主要组成部分有线圈、线圈骨架、组芯（放置在骨架内，以固定阀片的一段）、外壳及端盖。

为了致动器具有较好的磁机转换效率，磁路设计时应遵循的原则有：

（1）组成致动器磁路的各个零部件选取要合理，以使磁回路中的磁通量大，并且通过Terfenol-D驱动薄片磁力线多；

（2）减少磁漏，使驱动薄片的磁通量尽量最大化。驱动结构示意图及磁回路见图2所示

结语

在对复合悬臂梁致动器的工作原理进行研究的基础上通过磁路分析、Terfenol-D薄片黏合的数量及位置的计算，对致动器结构进行结构设计，使其结构和性能更加优异。

参考文献：

[1]贾振元，刘巍，张永顺，等.超磁致伸缩薄膜悬臂梁的非线性变形分析及试验.机械工程学报，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]蔡玉丽，丁桂甫，戴旭涵，等.1×16微机电系统光纤连接器阵列的研制.传感器与微系统，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]那日苏，云国宏，荣建红.磁致伸缩薄膜-基底悬臂梁微致动器的设计与优化.中国科学E辑：技术科学，2007，37（7）：914-922.

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

[7]马慧，王刚.COMSOL Multiphysics基本操作指南和常见问题解答[M].北京：人民交通出版社，2009.

基金项目：本文得到南昌工程学院2015年大学生科研训练计划项目资助。