超磁致伸缩微纳驱动的原理解析

1.超磁致伸缩直线电机驱动原理

直线电机可以将电能直接转换为机械能，并进行直线运动。超磁致伸缩材料的绝对位移仍然较小，但是通过尺蠖原理制成直线电机，则可以大大扩大行程，且保持较高的定位精度。

尺蠖型直线电机的基本工作原理源于自然界尺蠖运动。尺蠖型直线电机以智能材料为驱动元件，通过单步微小位移不断累加，实现大行程输出，且具有负载能力强、定位精度高的特点。典型的尺蠖型直线电机包括两个钳位机构和一个驱动机构，统称为致应变激励单元（induced-strain activation element）。根据致应变激励单元的不同配置方式，尺蠖型直线电机分为爬行式、推进式、混合式。

图2-8所示为基于尺蠖原理的Kiesewetter直线电机。Kiesewetter将GMM棒密切地配合组装在定子管内，用驱动线圈产生磁场。当磁场从管的一端移动到另外一端，管内的GMM交替伸缩从而产生运动。若磁场的运动取反向，则棒也随之做反向运动。这种电机可以产生最大1000 N的驱动力，200 mm的有效行程和20 mm/s的速度，分辨率为2μm。Kiesewetter直线电机是掉电自锁的，这是机器人应用领域所必需的重要的特性。

2.超磁致伸缩微纳驱动器驱动原理

(www.xing528.com)

图2-8　基于尺蠖原理的Kiesewetter直线电机

精密位移驱动器，也称精密位移执行器，是一种能够输出精密位移（包括线性位移和角位移）的驱动机构，是精密位移系统的核心部件，直接影响整个系统的最终输出性能。同时，精密位移驱动器要求材料性能优越，能够降低能耗和提高系统性能，更重要的是能进行微型化和集成化。图2-9给出了一种可实现双头输出的无永磁偏置超磁致伸缩微纳驱动器的结构。其工作原理为：在线圈中通入电流，棒体上会产生驱动磁场，在驱动磁场的作用下，棒体会发生伸长或者收缩，推动输出杆运动。这样将电磁能转换为机械能。其中输出杆、端盖、套筒均为导磁材料，一起和超磁致伸缩材料棒构成闭合磁路。端盖与套筒采用细牙螺纹连接，通过调节端盖的旋紧程度来设定GMM棒的预应力。

图2-9　无永磁偏置超磁致伸缩微纳驱动器结构示意图

1—GMM棒；2—线圈骨架；3—线圈；4—轭铁；5—套筒；6—碟簧；7—调整螺母；8—位移输出杆；9—端盖

与无永磁偏置的超磁致伸缩微纳驱动器相对应，还有一种永磁偏置的超磁致伸缩微纳驱动器结构，两者唯一的不同之处在于永磁偏置的超磁致伸缩微纳驱动器的套筒是永磁体。永磁体会在腔体内添加预偏置磁场，这样超磁致伸缩材料棒会有一定预伸长量。当驱动磁场与永磁预偏置磁场同向时，棒体会伸长；当驱动磁场与永磁偏置磁场反向时，棒体就会收缩。