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磁致伸缩材料驱动器的输出位移特性

发布日期:2020-09-17 23:25

  磁致伸缩材料驱动器的输出位移特性_电子/电路_工程科技_专业资料。第30卷第1期 2009年1月 仪 器 仪 表 学 报 VoL 30 No.1 Chinese Journal of Scientific Instrument Jan.2009

  第30卷第1期 2009年1月 仪 器 仪 表 学 报 VoL 30 No.1 Chinese Journal of Scientific Instrument Jan.2009 叠层复合磁致伸缩材料驱动器的输出位移特性 李淑英1’2,王博文1,周 严1,翁玲1,王志华1 (1河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室天津300130; 2天津工业大学理学院天津300160) 摘要:采用树脂粘结法制备了叠层复合Terfenol—D棒状材料,并使Te如nol—D层的叠片方向垂直于Terfenol—D的(112)轴向。 研究了基于此材料的驱动器的输出位移特性,同时还研究了驱动器的涡流损耗.研究结果表明:当驱动磁场频率为2 3 000 500— Hz时,驱动器输出位移最大峰一峰值达到最大25.0~26.0 tun,同时输出位移波形随频率也有明显变化;直流偏置磁场对 输出位移的影响规律随工作频率不同而不同;基于叠层复合Terfenol—D的驱动器的涡流损耗较基于块状Terfenol-D的驱动器的 涡流损耗大大降低。 关键词:叠层复合Terfenol—D;直流偏置磁场;交流驱动磁场频率;输出位移波形;涡流损耗 中图分类号:TMl53 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:470.40 Output displacement of actuator based on Terfenol—D multilayered composite Li Shuyin91.一,Wang Bowenl,Zhou Yanl,Weng Lin91,Wang Zhihual (J Province.Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical山甲Ⅱrm哪Reliability, ttebei Um化rsity 2 School of Technology,Tianjin University 300130,China; ofScience,Tianjin ofTechnology,Tianfin 300160,China) Abstract:A magnetostrictive multilayered composite based on was prepared with its laminations perpendicular to(1 12)axes the calculation of magnetostriction of Terfenol—D an composites.Using the Terfenol—D magnetostrictive muhilay‘ on ered composite actuator was made.The dependence of the output displacement of the actuator vortex AC driving mag- netic field frequency that the maximum the Sallle and to DC bias magnetic field is investigated.The loss of the actuator iS studied.It is found frequency of 2 500~3 000 Hz.At influence of bias magnet- peak peak displacement y(帅)reaches to 25.0~26.0岫at time the dynamic displacement wave changes obviously at different frequencies.The ic field based on the output displacement is different at different frequencies.In addition,the vortex 1088 of the actuator on Terfen01.D muhilayered composite iS reduced greatly. Key words:muhilayered composite of Terfenol—D;DC bias magnetic field;AC driving magnetic field frequency; dynamic displaeement wave;vortex loss 域中的应用。采用粘结法制备的粉末粘结磁致伸缩材 1 引 言 料。合金粉末均匀分布并包裹于环氧树脂基体内,粉末间 由绝缘胶阻隔,使得涡流不能在大范围内形成回路,提高 了材料的使用频率mJ,其上限频率可达100 kHz。但同 时粉末粘结磁致伸缩材料的应变明显降低。在确保材料 有较大磁致伸缩的前提条件下,为改善其高频性能,人们 虽然超磁致伸缩材料具有众多优异性能‘”3,但是在 外加高频交变磁场作用下,超磁致伸缩材料内部将产生 巨大的涡流效应,从而限制了超磁致伸缩材料在高频领 收稿日期:2008-07 Received Date:2008-07 4t基金项目:国家自然科学基金(50571034)资助项目 万方数据 仪器仪表学报 第3 0卷 研究了叠层复合磁致伸缩材料"剖。然而,采用树脂基叠 层复合磁致伸缩材料制备的磁致伸缩驱动器的报道甚 少。本文采用树脂粘结法制备了Terfenol-D叠层复合磁 致伸缩材料,并使Teffen01.D层与树脂层的叠片方向垂 直于Terfen01.D的(112>轴向方向。应用此复合材料研 制了磁致伸缩驱动器,研究了该驱动器的输出位移特性 和涡流损耗,从而为应用叠层复合磁致伸缩材料的器件 的应用提供参考依据。 图2磁致伸缩的结构示意图 2实验方法与原理 将取向多晶Terfen01.D沿(112)轴向切割成1.0 mm 厚的薄片,然后把Terfen01.D薄片每两片之间间隔0.2mm 厚的环氧树脂粘结剂,并使Terfen01.D层与树脂层的叠 片方向垂直于Terfen01.D的(112)轴向方向,制备成长 10.0 mm、宽10.0 mm、厚7.0 Fig.2 Schematic diagram of a magnetostriction actuator 位移传感器测量驱动器的输出位移。用双踪示波器同时 采集电容位移传感器的输出电压信号和驱动器中交流线 圈两端的电压信号,数字电流表显示交变电流有效值。 将采集的数据做相应处理得到所需的指标参数。 mm的叠层复合磁致伸缩 材料。图1为该材料的叠层示意图。 图3驱动器的动态输出特性测试流程图 Fig.3 The diagram of dynamic test 结果与分析 图1叠层复合Teffenol—D示意图 Fig.1 Diagram of Terfenol-D muhilayered composite 3.1驱动器的直流输出特性 图4为直流磁场作用下驱动器中叠层复合材料的静 态磁致伸缩回线,实验时对磁致伸缩棒所加的预压应力 P=2 基于叠层复合Terfen01.D的驱动器的结构示意图如 图2所示。交流线,线;直流线 mm,内径 mm,线。其工作原理为:给交 Mpa。可见,直流电流为0.2—3.0 A时,磁致伸缩 随电流的变化率较大;直流电流为4.0 A时,磁致伸缩为 1 030×10~,接近饱和。同时可以看出该材料的磁致伸 流驱动线圈通以交变电流,在交流线圈中产生交变驱动 磁场。磁致伸缩棒在交变驱动磁场的作用下,产生交变 伸缩,从而推动顶杆做交变伸缩,将电能转换为机械能。 当驱动器的外壳固定,顶杆输出端的位移称为驱动器的 输出位移。直流线圈用于产生直流偏置磁场,以改善驱 动器的输出位移。另外,根据磁致伸缩材料的特性,压应 力作用下会产生比无压应力时更大的伸缩量,所以设计 时,利用加压弹簧给磁致伸缩棒施加压力;同时在材料磁 致伸缩减小过程中,弹簧还用于促使顶杆回缩。 驱动器的输出特性测试流程图如图3所示。由 TFG-2006V型函数信号发生器和HT.1721型功率放大器 缩滞后较小。 k/A 图4叠层复合Teffend—D的静态磁致伸缩与电流的关系 of the Terfenol-D Fig.4 Static magnetostriction muhilayered composite 提供交流线圈所需正弦交变电流,从而产生正弦交变驱 动磁场。利用德国生产的CAMPANCIriS600-0.2型电容 万方数据 第1期 李淑英等:叠层复合磁致伸缩材料驱动器的输出位移特性 图5为驱动器在直流磁场作用下的输出位移与直流 电流的关系曲线,实验时预加压应力P=2 Mpa。经计算 得,驱动器的输出位移大约为叠层复合Terfenol—D伸长 量的92%。同时由图可见,驱动器的输出位移同样具有 较小的磁致伸缩滞后,表明驱动器具有较好的直流位移 输出特性。 (_≯一口\>o Hp,】 t(400 ms/Div) (a),=1 l-lz,lDc=O,,^c=1.0 A ^>一Q\_【_Hrl寸-,【 (_≯一Q\_H Tl l∞|氏 o_Iv,【 图5驱动器的输出位移与直流电流的关系曲线 The output displacement of the actuator vs.current 3.2 驱动器输出位移与驱动磁场频率的关系 t(400 ps/Divl (b)f=2 500 一≯一^一/人nS 图6为驱动器的输出位移最大峰一峰值Y(p-p)一与输入 电流频率之间的关系曲线。真正的AG网址是哪个,实验条件如下:预加压应力P =2 Hz,IDC=0,IAc=1.0A Mpa,无直流偏置磁场,交流驱动电流有效值1.0 A。 可以看出,随着频率的增大,Y(p-p)一首先减小,1 Hz时为 3.6 tun,频率增为500 Hz时近似为零,频率增为l 500 Hz 以后,Y(p-p)~随着频率的增大而增大,2 500 I-Iz时Y(p-p)一 为25.0 pm,3 000 Hz时YO-p)一到达最大值26.0 Izm,之后 Hz 降为.肛肌。由此 Y(p-p'.一随频率线 可得驱‘|动器的共振频率在6 0右9 I-Iz 2 。 t(400 ps/Div) 星 (c)f=3 000 Hz.IDc=O,IAc=1.0 A 冬 Fig.7 Output 图7输出位移波形和输入电压波形 displacement waveform and input voltage waveform 可见,相对输入电压,输出位移都具有倍频现象。同 频率/Hz 时,输入电压波形为正弦波,即输入磁场波形为正弦波, 而输出位移波形不再是简单的正弦波。对应磁场的一次 周期变化,1 Hz时驱动器输出位移的两次振动基本相同; 而2 500 Hz和3 000 Hz时驱动器输出位移的两次相邻振 图6输出位移最大峰?峰值Y(p-p)一随频率的变化关系 Fig.6 Maximum peak to peak displacement VS magnetizing frequency 动的峰-峰值相差较大,这主要源于磁化频率较大时磁化 驱动器输出位移波形随频率也有明显变化,图7给 出1 Hz、2 500 Hz和3 000 Hz时输出位移波形和输入电 压波形随时间的变化关系。 过程中的磁致伸缩滞后也较大。另外2 3 500 Hz和 000]tz时输出位移波形也有区别。2 000 500 Hz时输出位 移波形可以看作由频率为2 谐波的叠加,而3 看作由频率为3 500 Hz和5 000 Hz的两列简 Hz时输出位移波形比较复杂,可以 000 Hz、6 000 Hz、750 Hz的3列简谐波 万方数据 74 仪器仪表学报 500 Hz时输出位 第3 0卷 叠加而成的复杂周期波形曲线 流,使输入的部分电能转化为热能损耗掉,称之涡流损 耗。在驱动器内部由于磁致伸缩材料所处区域的交变磁 场最大,即磁场的变化率最大,所以这里不计及驱动器外 壳、线圈等的涡流损耗,只考虑磁致伸缩材料带来的涡流 损耗。忽略磁致伸缩材料向外界传递的热量,则损耗能 量可表示为E=cmAT。其中C为磁致伸缩材料的比热, m为磁致伸缩材料的质量,△丁为工作过程材料温度的增 量。由此,当cm恒定时,涡流损耗正比于材料温度的 增量。 移波形更加规则。同时虽然3 000 Hz时Y(p-p)一较 Hz时略大,但2 500 Hz输出位移平均值更大,由此 500 该驱动器的输出位移共振频率约为2 fenol-D材料制备的驱动器的共振频率2 Hz。与文献 Hz接近。 [9]报道的以长303 mm、宽30 mm、厚0.27 mm的Ter- 225 3.3直流偏置磁场对驱动器输出位移的影响 由图4和图5可知,材料的磁致伸缩系数和驱动器 的输出位移对磁场的变化率随工作点的不同而不同。为 此从实验上研究了直流偏置磁场对驱动器输出位移的 影响。 低频(小于50 Hz)条件下,直流偏置磁场逐渐消除 在无直流偏置磁场、交流驱动电流有效值0.4 A、驱 动频率6 000 Hz的条件下,测量了驱动器中同样外形尺 寸的叠层复合Terfen01.D和块状Terfenol-D的温度值随 驱动器工作时间的变化曲线所示。 输出位移的倍频现象,并且Y(p-p)~随直流磁场的增大先 增大后减小。如图8所示,交流驱动电流有效值2.0 A, 频率为1 Hz时,驱动器输出位移最大峰一峰值Y(p-p)一 一 \ h 与直流偏置电流的关系曲线 A时,Y(p-p)一分别为6.4斗m、8.0斗m、 8.9斗m、5.8斗m。 呈 多 毒 图9材料温度随驱动器工作时间的变化曲线 T即叩eratlJre of magnetostrietion material VS.working time 当驱动器工作时间为5 min、10 min、15 min、20 min 时,叠层复合材料的温升值分别为块状Terfenol—D的温 图8输出位移最大峰一峰值与直流偏置电流的关系 Fig.8 Maximum peak?peak displacement vs 升值的47.8%、44.4%、37.5%、36.5%。可见。由于在垂 DC bias 直磁场方向Teffenol—D层被树脂层阻隔,形不成大的涡 旋电流回路,叠层复合材料的涡流损耗大大降低。即叠 层复合Terfenol-D驱动器的涡流损耗明显降低。 4 current 中频(大于1 500 Hz且小于6 000 Hz)条件下,直流偏 置磁场对输出位移波形影响极小,Y(,-P)一随直流磁场的增 大而减小。如图8所示,交流驱动电流有效值1.0 A, 2 500 结 论 Hz条件下,直流偏置电流分别为O、1 A、2 A、3 A时, 由以上研究分析可得如下结论:驱动器输出位移最 大峰一峰值Y(p-p)一与磁化频率有密切关系,2 3 000 Hz时Y(p-p)一达最大值25.O一26.0 Ixm,并且位移 波形随频率也有明显变化;直流偏置磁场对驱动器输出 位移有一定影响,而且工作频率不同直流偏置磁场对输 出位移的影响规律不同;驱动器在同一频率交变磁场下 工作同样长的时间,叠层复合材料的温度明显低于Ter- fend-D的温度,表明叠层复合磁致伸缩材料驱动器的涡 流损耗明显降低。 参考文献 [1]WANG B W,BUSBRIDGE S C,LI Y X,et a1.Magne- Y(p-p)一分别为25.0岬、19.1岬、17.2 ton、16.9斗m。 500— 所以直流偏置磁场对驱动器输出位移的有一定影 响,而且工作频率不同直流偏置磁场对驱动器位移输出 的影响规律不同。在该驱动器的应用中为了增大驱动器 的输出位移,低频(小于50 Hz)条件下应施加适当大小 的直流偏置磁场,而中频(大于l 6 000 500 Hz且小于 Hz)条件下不应施加直流偏置电流。 3.4驱动器的涡流损耗 当给驱动线圈施加交变电流时,线圈内部将产生交 变驱动磁场,由于电磁感应的作用,在交变磁场内部垂直 磁场方向出现感应涡旋电场。处于交变磁场中的导电材 料,在感应电场的作用下其内部将会形成闭合的涡旋电 tostriction and magnetization process of Tbo.27 Dyo.73 Fe2 万方数据 第1期 crystal[J].Journal 李淑英等:叠层复合磁致伸缩材料驱动器的输出位移特性 of Magnetism and 75 single Magnetic [7]GANCED L G,BUSBRIDGE S C,EATON S J.Magnet— Materials,2000,218(2-3):198-202. 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WENG L,WANG B W,SUN Y,et a1.Study ofthe out- put displacement control for a of magnetostriction for magnetic Electrical actuators[J]. giant magnetostrictive actu— Engineering,2004,55(10/S): ator[J].Chinese Journal 27(7):800-803. of Scientific Instrument,2006, 作者简介 李淑英,1999年于河北师范大学获得 学士学位,2002年于河北工业大学获得硕 士学位,现为河北工业大学在读博士研究 生,天津工业大学讲师,主要从事磁致伸缩 材料与器件的研究工作。 E?mail:shylicl@126.oom Li Shuying versity in [4]王博文,李淑英,闫荣格,等.粘结超磁致伸缩n.Dy— Fe合金磁致伸缩性能的研究[J].中国稀土学报 2003,21(6):729-732. WANG B W,LI S Y,YAN R G,et a1.Magnetostrictive properties of epoxy borlded卟一Dy—Fe composites[J]. Journal of the Chinese Rare Earth Society,2003,21(6): 729-732. received bachelor degree from Hebei Normal Uni— [5] 李淑英,王博文,闫荣格,等.粘结Sm—Dy.Fe合金的磁 致伸缩性能研究[J].功能材料与器件学报,2004,10 (2):191.194. U S Y,WANG B W,YAN R G,et a1.Magnetostrictive 1999 and master degree from Hebei University of Tech- now a nology in 2002.She is PhD candidate in Hebei University of Technology and lecturer in Tianjin University of Technology. Her current research directions黜magnetostrictive materials and properties of (2):191-194. epoxy bonded Sm-Dy—Fe composites[J]. devices. E—mail:shylicl@126.corn Journal of Functional Materials and Devices,2004,10 王博文,河北工业大学教授,主要从事磁材料与器件的 研究工作。 E-mail:bwwang@hebut.edu.cn [6]李淑英,王博文,翁玲,等.粘结Smo.站Dy。.:№合金的 制备工艺与性能研究[J].功能材料,2005,36(6): 843.845. Wang Bowen is current now a professor in Hebei University of Tech- U S Y,WANG B W,WENG L,et a1.Manufacture process and performance of epoxy bonded Smo髓Dyo 12Fe2 nology.His and devices. research directions a陀magnetic materials composites[J].Journal (6):843—845. of Functional Materials,2005,36 E—mail:bwwang@hebut.edu.en 万方数据