直动超磁致伸缩致动器：性能更优的电磁元件

典型直动式超磁致伸缩致动器的基本结构如图1－13所示，主要由GMM棒、线圈、永磁体、弹簧、输出杆、螺钉、水冷管和壳体等组成，通过线圈产生的交变磁场使GMM棒产生相应形变，推动输出杆克服弹簧弹性输出位移，永磁体用于提供偏置磁场，水冷管用于控制GMM棒的工作温度。

图1-13　典型直动式超磁致伸缩致动器的基本结构

Grunwald设计的致动器使用直径为8 mm的GMM棒，当输入电流为10 A时，可输出1.0×10－3的应变，输出力能达到4 500 N。为了增大输出位移，Yang采用两级输出位移结构，一级由两个无偏置磁场的致动器组成，用于输出较大位移；二级由一个带有偏置磁场的致动器组成，用于保证定位精度，其最大位移可达710 μm，定位精度为±90 nm［51］。

直动式超磁致伸缩致动器最大的缺点是行程小，为了获得更大的行程，可采用放大机构对输出位移进行放大，常用的放大机构主要有机械式和液压式。机械式放大机构一般利用杠杆原理对系统输出的微位移进行放大，工作原理如图1－14所示。机械式放大机构通常采用柔性铰链作为弹性元件，常见的有桥式［52］、多级杠杆式［53］和Scott－Russell式［54］，具有无间隙、无摩擦、响应速度快和分辨率高等优点，但同时也存在体积大、负载能力小和抗冲击能力差等缺点［55］。

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图1-14　机械放大机构的工作原理

液压式位移放大机构主要由截面积不等的大、小两个活塞，柔性铰链和密闭腔室组成，根据帕斯卡原理，大活塞移动时，通过充满密闭腔室的液压油推动小活塞移动，以实现较大位移输出［9，56］，其工作原理如图1－15所示。杨朝舒通过对密闭腔室结构的改进，将直角连接改进为梯度连接，可以有效减小液体的流阻和缩流［57］。

图1-15　液压式放大机构的工作原理

直动式超磁致伸缩致动器结构简单、工作可靠，工作频率带宽较大，但由于GMM本身的磁致伸缩系数较小，无法满足大行程位移输出的需求。即使采用放大机构增大行程，其输出行程也仅能达到几百微米，而且还成比例地降低了输出力和响应速度，工作频率也会显著下降。