基于超磁致伸缩材料的微位移驱动器特性研究

　　摘要　具有立方莱夫斯相结构的Rfe_{2赝化合物TbXDy（1-X）Fe2，在室温环境下具有极大的磁致伸缩量，应用这种材料研制的微位移驱动器，具有大位移、高分辨率及大输出力等特点。从驱动器使用角度出发，对这种材料的原理及特性进行了阐述，同时分析了超磁致伸缩驱动器的结构及特性。设计并研制了超磁致伸缩微位移驱动器，通过实验分析，驱动器的位移分辨率达0.5 nm，行程范围达40 μm，在精密及超精密加工领域有着广阔的应用前景。
　　关键词　磁致伸缩　位移　驱动器　磁场
　　中国图书资料分类法分类号　TH703.65}

Research on the Performance of Micro-Displacement Actuator based Giant Magnetostrictive Material

　　Jia Yuhui
(Harbin Institute of Technology,Harbin,China)
　Tan Jiubin

　　Abstract: The false compound Tb_{xDy(1-x)Fe2 which has the cubic and Laves-phase structure as Rfe2 possesses much larger magnetostrictive in room temperature. The micro-displacement actuator made by this material features large displacement, high-resolution and strong output force.The theory and properties of this material is described from the application point of view,the structure and performance of giant magnetostrictive actuator are also analyzed,and the actuator is designed and manufactured successfully. Experimentally, the resolving power of the actuator is of 0.5nm,the range of displacement is of 40μm. It has potential application in the precision and super precision machining field.
　　Key words:magnetostrictive　　displacement　　actuator　　magnetic field}

　　由稀土元素（R）及过渡金属（M）构成的，具有MgCu_{2型结构的立方莱夫斯相化合物，表现出具有极大的室温磁致伸缩特性。特别是TbFe2在室温下，磁致伸缩应变量可以达到2.5×10^{-3，而RXR（1-X）Fe2型赝二元系化合物同时具有低的磁晶各向异性及相对大的磁致伸缩量，它具有输出力大、伸缩量大及能量密度高等特点，在很多领域得到广泛应用［1］。
　　在超精密加工技术中，微位移驱动技术作为其核心技术，直接关系着加工精度的技术指标。因而为了提高现代控制系统的性能，需要进一步开发更大功率、更快响应及进退自如的驱动器［2］。
　　由于超磁致伸缩材料具有的强力、大位移、刚性体结构等特点，将其应用于驱动器领域，将极大提高驱动器的性能指标，并且将进一步推动超精密加工领域的进步。}}

1　超磁致伸缩材料及特性

1.1　超磁致伸缩材料
　　磁致伸缩是指材料在磁场作用下，其长度（或形状）发生伸长或缩短的现象。具有较大磁致伸缩应变的材料称为磁致伸缩材料，如Ni、Ni-Co-Cr合金和Fe-14%Al合金的饱和磁致伸缩应变量仅有0.4×10^{-4～1×10-4，由于其饱和磁致伸缩系数(λ_{s)值过小，没有得到广泛应用。最近国际上研制成一种多元稀土-铁莱夫斯相化合物（R′,R″)Fe2，其饱和磁致伸缩应变量达到1.5×10-3～2×10-3，相当于传统材料的20～50倍，所以称其为超磁致伸缩材料［3］。最早从事超磁致伸缩材料研究的是美国海军研究所，研制的TbXDy（1-X）Fe2化合物已商业化，他们采用悬浮区域熔炼（FSZM）和改进的布里奇曼（MB）两种方法生产各种尺寸和形状的材料。}}

1.2　材料的工作机理
　　稀土超磁致伸缩材料属立方晶体，其磁致伸缩系数一般是通过测量沿主轴（〈100〉,〈110〉,〈111〉）方向长度变化得到的，磁场从垂直转到平行于测量方向。其磁致伸缩系数为

式中，h_{i为比例系数；αi为饱和磁化强度相对晶轴的方向余弦；βi为测量方向相对晶轴的方向余弦。
　　通常只用最低阶的两项去和磁致伸缩的实验拟合。如果用λ100表示磁化向量沿〈100〉方向时该方向的长度变化，用λ111表示磁化向量沿〈111〉方向时沿该方向的长度变化，就可把磁致伸缩应变简化为}

　　在物体内各向同性（多晶或非晶）的特殊情况下，

式中，θ为磁化向量和测量方向之间的夹角。

1.3　材料的特性
1.3.1　应力对磁致伸缩材料的影响
　　假定磁致伸缩材料的能量是磁性塞曼能量、磁晶各向异性能量和弹性能量的总和，则有

E=-M_{SHcosθ+Kf(θ)+(3/2)λsσcos^2θ}

式中，M_{S为磁化强度；H为磁场强度；K为磁晶各向异性常数；σ为应力；f(θ)为由取向所决定的一个复杂函数。
　　磁致伸缩材料的应变受负荷的影响，在不同的压力下，其伸缩曲线是不同的，因为克服应力需要做机械功，见图1。}

图1　在不同应力下材料的磁致伸缩曲线

　　对于一个给定的磁偏置或给定一个最大磁化场可确定最佳的压负荷（即选择最佳的机械预紧力），最佳能量转换效率出现在此曲线的峰值处^{［4］，见图2。因而在设计微位移驱动器时，应有一定的预紧力。}

1.H=1.6×10^{5A/m　2.H=1.4×105A/m　3.H=1.2×105A/m　4.H=1.1×105A/m　5.H=0.96×105A/m　6.H=0.8×105A/m　7.H=0.64×105A/m　8.H=0.48×105A/m　9.H=0.32×105A/m}

图2　25℃下材料抵抗压应力所做的功

1.3.2　温度特性

　　超磁致伸缩材料伸缩量随温度的变化，就是从低温大的正各向异性（〈100〉易轴）到高温大的负各向异性（〈111〉易轴）的转化过程，见图3、图4。从温度角度看，存在3个不同区域：低温区，高各向异性，低磁致伸缩；中温区，低各向异性，高磁致伸缩；高温区，高各向异性，高磁致伸缩。在中温区，磁晶各向异性的值最小，磁化强度及磁致伸缩类似于在压负荷下的简单的磁化转动模型，即磁化强度M与磁场强度H成正比例。40℃附近Tb_{XDy（1-X）Fe2磁致伸缩的最佳性能出现在X=0.27。当0.27<X<1,最低各向异性的温度降低。从磁场角度看，T>0℃时磁化强度和磁致伸缩曲线由3个不同的区域组成：①具有小的磁化强度和磁致伸缩的极低磁场区;②磁化跳跃区，在此区间磁矩在两个有很大差异的磁致伸缩方向之间跳跃;③磁化矢量转动区，磁矩转向〈112〉棒轴方向，有实用价值的磁致伸缩出现在高场区。因而，在室温下，为达到最佳性能指标，应有一定的偏磁场，磁场大小由温度及压应力等共同决定^［5］。}

图3　13.3MPa压应力下磁致伸缩与磁化曲线

图4　不同压应力下磁致伸缩与温度的关系曲线

2　微位移驱动器系统

2.1　系统构成
　　超磁致伸缩微位移驱动系统由超磁致伸缩微位移驱动器、温度传感器、位移传感器、恒温水冷却系统、精密电流控制系统构成，它们通过计算机构成闭环反馈系统，见图5。

图5　微位移驱动系统框图

　　由于用作产生驱动磁场的螺线管线圈会有发热现象，因而利用温度传感器及循环水冷装置构成闭环，将温度控制在(30±0.01)℃的范围内，以达到精度要求^［6］。

2.2　微位移驱动器的研制
　　微位移驱动器的具体结构见图6。由永磁铁产生一个偏置磁场，从而使驱动器工作在伸缩率最大及良好的线性段，采用4×10^{4A/m的偏置磁场。另外，通过弹性钢片，调整磁致伸缩棒上的预紧力，从而使磁滞最小。通过改变驱动线圈中电流的大小，来改变棒中磁场的大小，进而控制位移。在驱动器中，磁场构成闭合回路，从而降低了漏磁，并且也不会受到外部磁场的影响，这样仪器可以和其它精密仪器放在一起使用，而不会互相干扰。}

图6　驱动器结构示意图

　　超磁致伸缩微位移驱动器的位移响应特性可以看作由两部分的响应组成，其一为磁场与磁致伸缩量之间的响应，一般在微秒量级上；其二为驱动电流与磁场之间的响应^{［7］。驱动磁场是由螺线管线圈中的电流引起的。螺线管线圈中的电流与驱动电源的电流存在以下关系}

i_{(t)=i(1-e^-Rt/L)}

式中，L为由线圈产生的电感；R_{t为回路中的电阻；响应时间为T=L/Rt。}

2.3　实验数据及分析
　　将超磁致伸缩微位移驱动器置于恒温室的隔振平台上，通过纳米级电容传感器（分辨率为0.5 nm）测量其位移输出，并绘制位移曲线。

　　超磁致伸缩微位移驱动器的位移分辨率可以达到0.5 nm,位移范围可达40 μm。由图7、图8看出，驱动器的位移存在一定的迟滞，主要是由于超磁致伸缩材料中，磁场变化时，B-H间存在迟滞。通过计算机对驱动器位移进行修正，将进一步改善驱动器的特性，提高线性，并降低迟滞。

图7　小范围位移磁滞特性曲线

图8　大范围位移磁滞特性曲线

3　结论

　　将超磁致伸缩材料引入到微位移驱动系统中，将极大地提高微位移驱动系统的性能指标，并将进一步推动精密及超精密加工技术的发展。