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超磁致伸缩执行器驱动电源研究
张明杰南京航空航天大学 2011、04
摘要
超磁致伸缩材料(GMM)具有磁致伸缩效应,当材料磁化状态改变时,其尺寸将会产生显著变化。利用超磁致伸缩材料研制的超磁致伸缩执行器(Giant ostrictive Actuator,GMA)具有定位精度高,响应速度快,输出力大,设计相对简单等优点。
超磁致伸缩执行器是利用磁致伸缩材料在磁场的激励下产生形变来输出力或转矩,而磁场通过通电线圈产生,所以给线圈提供电流的恒流源的性能关系到整个执行器的性能。本文主要介绍了比较完整的超磁致伸缩驱动恒流源的硬件设计原理,分为直流偏置恒流部分和交流恒流源部分。

磁致伸缩效应,是指铁磁体在被外磁场磁化时,其体积和长度将发生变化的现象。磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的,但其长度变化比体积变化大得多,它是焦耳在1842年发现的。其逆效应称为压磁效应,主要是指磁致伸缩材料发生形变或者受到应力的作用时会引起与材料内部产生形变,导致材料磁场发生变化,利用其压磁效应可制成各种传感器。
超磁致伸缩材料(GMM)是近年发展起来的一种新型机敏材料,具有应变力大、强力、能量密度高、响应速度快等优异特点,其研究与应用得到各国学着的关注。基于超磁致伸缩效应研制的超磁致伸缩执行器(GMA)具有广阔的应用前景。基于超磁致伸缩材料研究的微定位仪器、振动器、传感器、阀门控制、机械传动机构及声纳系统已在实际应用中有所展现。

超磁致伸缩材料的工作机理
磁致伸缩是指磁性体在外加磁场作用下,在磁化方向上产生伸长或缩短的现象。这是由于磁性材料中存在着大量的磁畴,各个磁畴的自发磁化方向不相同,在没有加外磁场时,自发磁化引起的形变互相抵消;外加磁场后,各个磁畴的自发磁化都转向外磁场方向,于是产生了宏观磁致伸缩。
图1为典型的超磁致伸缩材料在预压力为零时的驱动特性曲线。由图可知,超磁致伸缩材料的驱动磁场大约在0~2000Oe之间,而且在200~1800Oe之间线性度较好,所以要求驱动磁场工作在此区间。
图1 超磁致伸缩材料的驱动特性曲线
超磁致伸缩材料驱动电源要求
由超磁致伸缩材料的驱动特性可知其驱动电源应符合一定的要求:
1)超磁致伸缩材料工作在200~1800Oe之间,所以驱动电源应在一定的范围连续可调,以使线圈能产生所需要的可连续变化的磁场;
2)由于超磁致伸缩材料在正反向磁场中都是伸长的,故所产生的机械运动的频率是驱动电流的两倍(倍频特性,如图2),所以需要外加一个直流电源产生的偏置磁场来消除倍频效应;
图2 磁致伸缩材料的倍频和同频现象
3)超磁致伸缩材料对控制信号的响应速度主要取决于控制电源输出电流的响应速度,所以电源应有一定的频响;
4)由于超磁致伸缩材料主要工作于微、纳米级,所以驱动电源需要很高的稳定性,纹波要小;
5)驱动电源的负载为一感性负载,所以需要加以匹配电容进行超前补偿,并需要增加保护电路保证电源正常工作。


恒流源按照所采用的调整元件不同,可以分为电真空器件恒流源、晶体管恒流源和集成电路恒流源。按照调整方式不同可以分为直接调整型恒流源和间接调整型恒流源。间接调整型根据调