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磁控形狀記憶合金蠕動型直線電機(jī)研究

2017-04-11 11:57:11 大云網(wǎng)  點(diǎn)擊量: 評論 (0)
核心提示:  現(xiàn)代工業(yè),特別是微型機(jī)器人和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,對體積小、重量輕和高力能密度運(yùn)動及位置控制直線執(zhí)行器的要求越來越高。采用傳統(tǒng)基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目150177019)=技術(shù)制造的直線
核心提示:  現(xiàn)代工業(yè),特別是微型機(jī)器人和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,對體積小、重量輕和高力能密度運(yùn)動及位置控制直線執(zhí)行器的要求越來越高。采用傳統(tǒng)基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目150177019)=技術(shù)制造的直線電機(jī)
  現(xiàn)代工業(yè),特別是微型機(jī)器人和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,對體積小、重量輕和高力能密度運(yùn)動及位置控制直線執(zhí)行器的要求越來越高。采用傳統(tǒng)基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目150177019)=技術(shù)制造的直線電機(jī)不僅功率密度低,而且需要機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)或變速系統(tǒng),致使結(jié)構(gòu)與控制技術(shù)比較復(fù)雜。為此,利用新型功能材料制造直線電機(jī)的研究受到人們的關(guān)注。目前這類材料的代表是壓電陶瓷、磁致伸縮材料以及形狀記憶合金。壓電陶瓷在電場作用下的變形率為。3|jm/mm,超磁致伸縮材料在磁場作用下的變形率為1.6|jm/mm.上述兩種材料的變形量過小,難以直接用于制造直線電機(jī)。
  形狀記憶合金的變形率較大,可達(dá)6080|jm/mm,較適合于制造直線電機(jī)。形狀記憶合金有溫控型和磁控型兩種,前者是靠溫度變化來控制材料的變形,后者是用改變磁場的大小來控制材料的變形。由于升溫和降溫皆需要一個(gè)過程,從而限制了溫控型執(zhí)行器的動態(tài)響應(yīng)速度及應(yīng)用范圍。
  MemoryAlloy)是1993年才被發(fā)現(xiàn)的一種新型具有形狀記憶功能的合金材料,不僅變形率大,而且易于控制,變形率與所施加的磁場強(qiáng)度有較好的線性關(guān)系;動態(tài)響應(yīng)速度高,是溫控型形狀記憶合金頻率響應(yīng)的80倍,可以滿足一般自動控制系統(tǒng)對執(zhí)行器動態(tài)響應(yīng)速度的要求;具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率和功率密度。
  本文首先介紹MSM材料在磁場作用下的變形機(jī)理與磁控特性,然后分析利用仿生學(xué)蠕動原理將MSM小步距的位移累加形成直線電機(jī)所需要的大行程的工作原理,而后論述蠕動型MSM直線電機(jī)的設(shè)計(jì)與控制方法,最后給出樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果。
  2MSM材料的變形機(jī)理與磁控特性左夾鉗松開磁控形狀記憶功能可用磁的各向異性解釋。為磁場作用下MSM晶體結(jié)構(gòu)調(diào)整取向的原理示意圖。孿晶的短軸C圖中的r軸)是易磁化方向,在沒有外磁場的情況下沿元件的長軸取向,如(a)所示。在外磁場作用下另外的孿晶變異體出現(xiàn)并逐漸增長,如(b)所示孿晶變異體的邊界被外磁場所移動。當(dāng)磁場能量足夠大時(shí),晶胞的易磁化軸Cr軸)轉(zhuǎn)向外部磁場方向,如(c)所tk.在外磁場作用下,MSM元件的長度變化為以即晶胞的長短軸之比。
  290°左右)施加磁場,方可獲得最大變形;②在同一磁場方向下,磁場強(qiáng)度C或磁通密度)越大,MSM所產(chǎn)生的變形越大;③在與MSM易磁化軸110°和290°方向施加磁場具有相同的效果,說明用以產(chǎn)生磁場的勵磁繞組既可以通直流,也可以通交流電流勵磁。
  3蠕動型MSM直線電機(jī)的工作原理盡管MSM的變形量較大,但直接用以制造大行程的的直線電機(jī)比較困難,一是需要用MSM較多成本較高,二是體積大所需勵磁功率較大。比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法是基于仿生學(xué)爬行動物蠕動原理,將MSM小步距的位移連續(xù)累加形成直線電機(jī)所需要的大行程。蠕動型MSM直線電機(jī)的工作原理如所示。右夾鉗在磁場作用下MSM變形后具有形狀記憶功能,即外磁場去掉后MSM保持變形后的形狀不變。
  恢復(fù)其原始形狀一般有兩種方法:一是將磁場方向旋轉(zhuǎn)90°即沿變形后MSM的晶胞長軸方向施加磁場使其在磁場作用下旋轉(zhuǎn)回到原始位置;二是通過對變形后的MSM晶胞長軸方向施加一定壓力使其恢復(fù)原形。
  所示為妖-猛-鎵磁控形狀記憶合金試件在不同磁場強(qiáng)度及磁場方向下自由變形率C未承受外壓力時(shí)的變形率)的,在軸向磁場作用下MSM的易磁化方向C晶格短軸方向)趨向于水平方向。欲使直線電機(jī)向左運(yùn)動,將左夾鉗松開而右夾鉗加緊,如(a)所示。然后將施加磁場方向由軸向改為垂直方向,MSM的易磁化方向C晶格短軸方向)因趨向于垂直方向而使MSM水平方向伸長,由于軸被右夾鉗加緊,MSM只能向左伸長,如(b)所示。
  在去掉垂直方向磁場之前,使左夾鉗加緊而右夾鉗松開,如(c)所示。當(dāng)磁場由垂直方向改為水平方向后,因軸被左夾鉗夾住,MSM在水平方向磁場作用下只能由右向左收縮恢復(fù)原形,這樣相當(dāng)于直線電機(jī)向左移動了一步,如(d)所示。重復(fù)上述操作,直線電機(jī)便可連續(xù)運(yùn)動。改變左右夾鉗的控制順序便可使其反方向運(yùn)動。
  4MSM蠕動型直線電機(jī)設(shè)計(jì)4.1MSM直線電機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用所示MSM直接帶動位移輸出軸的結(jié)構(gòu),MSM元件移動范圍較大,因而所需要的磁路體積較大和勵磁功率較大。如果采用所示的結(jié)構(gòu),MSM僅需要單步位移而不需要在整個(gè)直線電機(jī)全行程上移動,故可使磁路和勵磁繞組體積大為減小。
  所示直線電機(jī)的懦動工作原理與所示相似。欲使移動軸左移,加磁場前先使左夾鉗加緊而右夾鉗松開,在垂直方向的磁場作用下,MSM將沿水平方向伸長,由于MSM的右端被非導(dǎo)磁殼體所阻擋而只能向左伸長,通過連桿和左夾鉗帶動移動軸左移,然后使右夾鉗加緊而左夾鉗松開。當(dāng)去掉磁場時(shí),MSM在彈簧壓力下恢復(fù)到施加磁場之前的形狀,連桿和左夾鉗隨之右移,移動軸則被右夾鉗所固定不動。然后使左夾鉗加緊而右夾鉗松開,再次施加磁場后移動軸將再左移一步。重復(fù)上述步驟移動軸將一步步向左移動。改變左右夾鉗的控制邏輯,則可使移動軸向右移動。
  MSM蠕動型直線電機(jī)結(jié)構(gòu)原理。2MSM尺寸與彈簧壓力的確定MSM蠕動型直線電機(jī)的移動速度可表示為磁場的次數(shù)(每秒移動的步數(shù));為MSM材料的變形率,其值為磁場強(qiáng)度丑和沿伸長方向所受壓力p的函數(shù)。
  設(shè)計(jì)MSM直線電機(jī)必須已知MSM材料的磁控特性£(//,川。
  所示為在不同預(yù)壓力下MSM材料的磁控特性曲線。可以看出,不同預(yù)壓力下MSM的磁控特性曲線非常復(fù)雜,不僅示具有飽和特性的非線性關(guān)系,而且具有滯環(huán)特性。必須根據(jù)直線電機(jī)負(fù)載壓力的大小和步距QMSM的變形量)的要求適當(dāng)選取MSM材料的尺寸。
  在不同預(yù)壓力下MSM材料的磁控特性MSM材料的一般選用如所不的長方形,其長度/為變形伸長方向,主要取決于MSM變形量的要求。高/為施加磁場方向,由于MSM的相對于空氣的導(dǎo)磁率僅為1.5~40,為了減少磁場勵磁繞組的安匝數(shù),一般//取值較小。寬度ft的取值則由MSM所承受負(fù)載壓力而定。
  MSM材料尺寸的確定在MSM的應(yīng)用中,必須解決去掉磁場后材料恢復(fù)變形問題。雖然可以通過沿變形伸長方向C/方向)施加磁場使其恢復(fù)原形,然而如所示,MSM材料的長度/遠(yuǎn)大于高度/,沿/方向施加足以使材料恢復(fù)變形的磁場所需要的勵磁功率過大而難以實(shí)現(xiàn),因而使材料恢復(fù)原形的方法通常采用外加彈簧,如所示。采用彈簧恢復(fù)變形方式雖然便于實(shí)現(xiàn),但也存在不利因素:①彈簧壓力相當(dāng)于MSM材料承受負(fù)載力的一部分,因而加彈簧后使直線電機(jī)的負(fù)載輸出能力有所降低;②彈簧壓力必須與MSM材料恢復(fù)變形所需要的壓力相匹配,而對彈簧壓力難以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
  時(shí)壓力與變形函數(shù)關(guān)系的試驗(yàn)曲線。可以看出,在MSM材料的變形率<4%時(shí),恢復(fù)變形所需要的壓力不大且基本為一常數(shù),而當(dāng)變形率超過4%后,材料承受的壓力急劇增加。MSM材料剛度的這種顯著變化,是因?yàn)樵谧冃温市∮?%時(shí),MSM材料晶格的易磁化軸在外磁場作用下逐漸趨向磁場方向,此時(shí)不需要太大的壓力就可使易磁化軸恢復(fù)其原來的方向;而當(dāng)變形率超過4%時(shí),晶格易磁化軸已完成對外磁場的取向,此時(shí)必須在很大的外P壓力下才可使其恢復(fù)原形。因此必須根據(jù)所要求的材料變形率及輸出負(fù)載力的大小,精心設(shè)計(jì)恢復(fù)MSM材料所需要的彈簧。為了便于調(diào)整恢復(fù)彈簧的預(yù)壓力,一般需要設(shè)置一個(gè)彈簧壓力調(diào)整裝置,如1所示。
  勵磁繞組在進(jìn)行勵磁繞組初步設(shè)計(jì)時(shí),可按"=2.5考慮,即材料自由變形率為3.5%時(shí)所需要的磁場強(qiáng)度為丑=0.5/(2.5x4jix107)=159心的導(dǎo)磁率為空氣導(dǎo)磁率的數(shù)千倍,可忽略不計(jì)磁路中鐵心部分的磁壓降,而認(rèn)為磁動勢全部用于克服磁路氣隙部分的磁壓降。假設(shè)鐵心開口氣隙的長度為g=6mm,根據(jù)安培環(huán)路定律,則有//和g分別為氣隙中的磁場強(qiáng)度和氣隙長。
  將上述所需要的//值和氣隙長度g值代入(3)式,可求得所需要的勵磁安匝數(shù)為M=954.9A.選擇導(dǎo)線直徑和電流密度后,便可具體決定勵磁繞組的參數(shù)和鐵心尺寸。磁路和勵磁繞組的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)可以通過有限元磁場分析進(jìn)行校合。
  4.4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)MSM蠕動型直線電機(jī)的控制系統(tǒng)應(yīng)具有下述功能:①根據(jù)對直線電機(jī)運(yùn)動速度的要求確定勵磁繞組電流的大小和頻率;②根據(jù)電機(jī)運(yùn)動方向要求的邏輯關(guān)系,控制左右夾鉗的夾緊和松開;③根據(jù)位置檢測信號確定位移指令。具有位置和電流閉環(huán)的控制系統(tǒng)原理框圖如所示。
  MSM勵磁磁路及繞組結(jié)構(gòu)根據(jù)MSM變形率的要求可確定所需要的磁場強(qiáng)度,從而確定勵磁繞組的安匝數(shù)。如要求MSM在無預(yù)壓力下的自由變形率為3.5%,由可知所需要的磁通密度為0.5T,而磁通密度B與磁場強(qiáng)度H的關(guān)系為為MSM材料相對于空氣的導(dǎo)磁率,其值不是一個(gè)常數(shù),而是取決于所加的磁場強(qiáng)度和材料的變形,當(dāng)沿伸長變形垂直方向施加磁場而材料晶格完成磁場取向后的相對導(dǎo)磁率約為2.5. 5樣機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)所研制的蠕動型直線電機(jī)外型如0所示。MSM元件及其壓力彈簧調(diào)整裝置的放大圖如1 -M所示。
  MSM元件尺寸為5x5x20mm,力D0.6T磁場后實(shí)測變形率約為4%,加磁場前后MSM元件形狀對比如2所示。
  3所示為MSM直線電機(jī)位移與磁場勵磁繞組電流關(guān)系的為MSM直線電機(jī)位移與磁場勵磁繞組通電頻率的關(guān)系,勵磁電流保持不變?yōu)?.5A. MSM非導(dǎo)磁槽彈簧調(diào)整螺帽1MSM與壓力彈簧裝配加磁場前后MSM元件變形量的比較個(gè)4通電頻率與位移的關(guān)系曲線可以看出,勵磁電流頻率由2Hz減為1Hz時(shí),直線電機(jī)的步距不變,由于步速降低而使移動同樣的距離所需要的時(shí)間成倍增加。
  6結(jié)論磁控形狀記憶合金兼有壓電陶瓷和磁致伸縮材料響應(yīng)頻率快和溫控形狀記憶合金輸出應(yīng)變和應(yīng)力大的優(yōu)點(diǎn),有望成為未來新一代執(zhí)行器的關(guān)鍵材料。利用仿生學(xué)蠕動原理,可用磁控形狀記憶合金制造大行程的直線電機(jī)。樣機(jī)的成功研制和試驗(yàn)結(jié)果,不僅驗(yàn)證了磁控形狀記憶合金優(yōu)良的磁控特性,而且證明了磁控形狀記憶合金蠕動型直線電機(jī)設(shè)計(jì)的可行性。然而,作為一種問世不久的新型材料,磁控形狀記憶合金的某些特性還不夠理想,需要進(jìn)一步提尚。
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責(zé)任編輯:電小二

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