磁控形状记忆合金直线驱动器

磁控形状记忆合金直线驱动器——张庆新王凤翔李文君等

磁控形状记忆合金直线驱动器

张庆新１’２王凤翔１李文君１杨静２

１．沈阳工业大学电器工程学院，沈阳，１１００２３

２．沈阳航空工业学院自动控制系，沈阳，１１００３４

摘要：介绍了磁控形状记忆合金在磁场作用下的形变机理，并测得在０．４Ｔ的磁场下其自由形变率可达３．６％。根据其变形机理，利用仿生学原理

研制出了磁控形状记忆合金驱动器样机及其控制系统，实现了驱动器大的行

程和往复运动，给出了相应的实验结果曲线。

关键词：磁控形状记忆合金；马氏体相变；直线驱动器；样机张庆新副教授

中图分类号：ＴＧｌ３；０４８文章编号：１００４—１３２Ｘ（２００４）２０～１７８７一０４

ＭａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙＣｏｎｔｒｏｌｉｅｄＳｈａｐｅＭｅｍｏｒｙＡｌｌｏｙ（ＭＳＭ）ＬｉｎｅａｒＡｃｔｕａｔｏｒ

ＺｈａｎｇＱｉｎｇｘｉｎｌ’２ＷａｎｇＦｅｎｇｘｉａｎ９１ＬｉＷｅｎｊｕｎｌＹａｎｇＪｉｎ９１

１．ＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ，１１００２３

２．ＳｈｅｎｙａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ，ｌ１００３４Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＭＳＭｍｅｃｈａｎｉｓｍｗｈｅｎａｃｔｉｖａｔｅｄｂｙｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｓｔａｔｉｃｔｅｓｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｇｎｉｔｕｄｅｏｆｓｔｒａｉｎａｔ０．４ＴｉＳ３．６％．ＴｈｅＭＳＭｐｒｏｔｏｔｙｐｅｌｉｎｅａｒａｃｔｕａｔｏｒｂａｓｅｄｏｎｈｉ—ｏｎｉｃｓｔｈｅｏｒｙｈａｓｂｅｅｎｍａｄｅａｎｄｉｔｓｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ａｎｄｌａｒｇｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓａｎｄａｌｔｅｒｎａ—ｔｉｎｇ

ｍｏｔｉｏｎｓａｒｅｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｃｕｒｖｅｓｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｓｈａｐｅｍｅｍｏｒｙａｌｌｏｙ（ＭＳＭ）；Ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｌｉｎ—ｅａｒａｃｔｕａｔｏｒ；ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ

０引言

传统的形状记忆合金，如ＴｉＮｉ基、Ｃｕ基、Ｆｅ基合金等受温度场驱动，虽然具有较大的恢复应变和恢复力，但响应频率很低（１Ｈｚ左右），实际应用中受到很大的限制。压电陶瓷虽然具有极高的响应频率，但其恢复应变却很小；同样，磁致伸缩材料也有同样的缺点。近年来，一种新型功能材料一一磁控形状记忆合金（ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙｃｏｎ—ｔｒｏｌｌｅｄｓｈａｐｅｍｅｍｏｒｙａｌｌｏｙ，ＭＳＭ）ＮｉＭｎＧａ逐渐发展起来。它不仅有较大的恢复应变，而且有快速的响应频率。它的理论最大恢复应变可达６．６％，最大响应频率可达５０００Ｈｚ。Ｎｉ２ＭｎＧａ磁控形状记忆合金以其优越的性能更具发展前途‘１～３｜。

１磁控形状记忆合金形变机理

１．１ＭＳＭ效应的机理

磁控形状记忆合金实质就是利用磁场来控制孪晶的再取向行为，也就是ＮｉＭｎＧａ合金在磁场作用下产生大的形变，使马氏双晶变体重新排列，在大于３．２×１０５Ａ／ｍ磁场下双晶边界产生移动收稿日期：２００３—１１—１３

基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０１７７０１９）的结果。图１给出了ＭＳＭ效应的示意图。

图１中每一小块表示一个双晶体和与磁矩相关的方向，其中ｅ为自由形变率，Ｈ为磁场强度。图１ａ描述了处于完全马氏体条件下ＮｉＭｎＧａ合金的ＭＳＭ效应，施加３．２×１０５Ａ／ｍ磁场后，马氏双晶体沿磁场方向重新排列，结果使得在与磁场正交的方向上产生了很大的形变。

（ａ）Ｈ一０（ｂ）Ｈ＞Ｏ

图１马氏体ＮｉＭｎＧａ合金的ＭＳＭ效应

对于一个理想的合金材料，晶体结构确定取向以便磁矩与单晶体的长轴正交，当外加磁场为零时，双晶变体的磁矩不是沿同一方向排列。当与施加于ＮｉＭｎＧａ合金材料垂直的磁场达到３．２×１０５Ａ／ｍ时，与每个双晶变体相关的磁矩发生旋转以便与外磁场方向匹配¨’５０。ＮｉＭｎＧａ合金是一种具有很大磁晶各向异性的材料，磁晶各向

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