核心提示：　　現(xiàn)代工業(yè)，特別是微型機(jī)器人和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)體積小、重量輕和高力能密度運(yùn)動(dòng)及位置控制直線執(zhí)行器的要求越來(lái)越高。采用傳統(tǒng)基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目150177019）=技術(shù)制造的直線電機(jī)

　　現(xiàn)代工業(yè)，特別是微型機(jī)器人和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)體積小、重量輕和高力能密度運(yùn)動(dòng)及位置控制直線執(zhí)行器的要求越來(lái)越高。采用傳統(tǒng)基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目150177019）=技術(shù)制造的直線電機(jī)不僅功率密度低，而且需要機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或變速系統(tǒng)，致使結(jié)構(gòu)與控制技術(shù)比較復(fù)雜。為此，利用新型功能材料制造直線電機(jī)的研究受到人們的關(guān)注。目前這類材料的代表是壓電陶瓷、磁致伸縮材料以及形狀記憶合金。壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下的變形率為。3|jm/mm，超磁致伸縮材料在磁場(chǎng)作用下的變形率為1.6|jm/mm.上述兩種材料的變形量過(guò)小，難以直接用于制造直線電機(jī)。

　　形狀記憶合金的變形率較大，可達(dá)6080|jm/mm，較適合于制造直線電機(jī)。形狀記憶合金有溫控型和磁控型兩種，前者是靠溫度變化來(lái)控制材料的變形，后者是用改變磁場(chǎng)的大小來(lái)控制材料的變形。由于升溫和降溫皆需要一個(gè)過(guò)程，從而限制了溫控型執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度及應(yīng)用范圍。

　　MemoryAlloy）是1993年才被發(fā)現(xiàn)的一種新型具有形狀記憶功能的合金材料，不僅變形率大，而且易于控制，變形率與所施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度有較好的線性關(guān)系；動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度高，是溫控型形狀記憶合金頻率響應(yīng)的80倍，可以滿足一般自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的要求；具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率和功率密度。

　　本文首先介紹MSM材料在磁場(chǎng)作用下的變形機(jī)理與磁控特性，然后分析利用仿生學(xué)蠕動(dòng)原理將MSM小步距的位移累加形成直線電機(jī)所需要的大行程的工作原理，而后論述蠕動(dòng)型MSM直線電機(jī)的設(shè)計(jì)與控制方法，最后給出樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果。

　　2MSM材料的變形機(jī)理與磁控特性左夾鉗松開(kāi)磁控形狀記憶功能可用磁的各向異性解釋。為磁場(chǎng)作用下MSM晶體結(jié)構(gòu)調(diào)整取向的原理示意圖。孿晶的短軸C圖中的r軸）是易磁化方向，在沒(méi)有外磁場(chǎng)的情況下沿元件的長(zhǎng)軸取向，如（a）所示。在外磁場(chǎng)作用下另外的孿晶變異體出現(xiàn)并逐漸增長(zhǎng)，如（b）所示孿晶變異體的邊界被外磁場(chǎng)所移動(dòng)。當(dāng)磁場(chǎng)能量足夠大時(shí)，晶胞的易磁化軸Cr軸）轉(zhuǎn)向外部磁場(chǎng)方向，如（c）所tk.在外磁場(chǎng)作用下，MSM元件的長(zhǎng)度變化為以即晶胞的長(zhǎng)短軸之比。

　　290°左右）施加磁場(chǎng)，方可獲得最大變形；②在同一磁場(chǎng)方向下，磁場(chǎng)強(qiáng)度C或磁通密度）越大，MSM所產(chǎn)生的變形越大；③在與MSM易磁化軸110°和290°方向施加磁場(chǎng)具有相同的效果，說(shuō)明用以產(chǎn)生磁場(chǎng)的勵(lì)磁繞組既可以通直流，也可以通交流電流勵(lì)磁。

　　3蠕動(dòng)型MSM直線電機(jī)的工作原理盡管MSM的變形量較大，但直接用以制造大行程的的直線電機(jī)比較困難，一是需要用MSM較多成本較高，二是體積大所需勵(lì)磁功率較大。比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法是基于仿生學(xué)爬行動(dòng)物蠕動(dòng)原理，將MSM小步距的位移連續(xù)累加形成直線電機(jī)所需要的大行程。蠕動(dòng)型MSM直線電機(jī)的工作原理如所示。右?jiàn)A鉗在磁場(chǎng)作用下MSM變形后具有形狀記憶功能，即外磁場(chǎng)去掉后MSM保持變形后的形狀不變。

　　恢復(fù)其原始形狀一般有兩種方法：一是將磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)90°即沿變形后MSM的晶胞長(zhǎng)軸方向施加磁場(chǎng)使其在磁場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)回到原始位置；二是通過(guò)對(duì)變形后的MSM晶胞長(zhǎng)軸方向施加一定壓力使其恢復(fù)原形。

　　所示為妖-猛-鎵磁控形狀記憶合金試件在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向下自由變形率C未承受外壓力時(shí)的變形率）的，在軸向磁場(chǎng)作用下MSM的易磁化方向C晶格短軸方向）趨向于水平方向。欲使直線電機(jī)向左運(yùn)動(dòng)，將左夾鉗松開(kāi)而右?jiàn)A鉗加緊，如（a）所示。然后將施加磁場(chǎng)方向由軸向改為垂直方向，MSM的易磁化方向C晶格短軸方向）因趨向于垂直方向而使MSM水平方向伸長(zhǎng)，由于軸被右?jiàn)A鉗加緊，MSM只能向左伸長(zhǎng)，如（b）所示。

　　在去掉垂直方向磁場(chǎng)之前，使左夾鉗加緊而右?jiàn)A鉗松開(kāi)，如（c）所示。當(dāng)磁場(chǎng)由垂直方向改為水平方向后，因軸被左夾鉗夾住，MSM在水平方向磁場(chǎng)作用下只能由右向左收縮恢復(fù)原形，這樣相當(dāng)于直線電機(jī)向左移動(dòng)了一步，如（d）所示。重復(fù)上述操作，直線電機(jī)便可連續(xù)運(yùn)動(dòng)。改變左右?jiàn)A鉗的控制順序便可使其反方向運(yùn)動(dòng)。

　　4MSM蠕動(dòng)型直線電機(jī)設(shè)計(jì)4.1MSM直線電機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用所示MSM直接帶動(dòng)位移輸出軸的結(jié)構(gòu)，MSM元件移動(dòng)范圍較大，因而所需要的磁路體積較大和勵(lì)磁功率較大。如果采用所示的結(jié)構(gòu)，MSM僅需要單步位移而不需要在整個(gè)直線電機(jī)全行程上移動(dòng)，故可使磁路和勵(lì)磁繞組體積大為減小。

　　所示直線電機(jī)的懦動(dòng)工作原理與所示相似。欲使移動(dòng)軸左移，加磁場(chǎng)前先使左夾鉗加緊而右?jiàn)A鉗松開(kāi)，在垂直方向的磁場(chǎng)作用下，MSM將沿水平方向伸長(zhǎng)，由于MSM的右端被非導(dǎo)磁殼體所阻擋而只能向左伸長(zhǎng)，通過(guò)連桿和左夾鉗帶動(dòng)移動(dòng)軸左移，然后使右?jiàn)A鉗加緊而左夾鉗松開(kāi)。當(dāng)去掉磁場(chǎng)時(shí)，MSM在彈簧壓力下恢復(fù)到施加磁場(chǎng)之前的形狀，連桿和左夾鉗隨之右移，移動(dòng)軸則被右?jiàn)A鉗所固定不動(dòng)。然后使左夾鉗加緊而右?jiàn)A鉗松開(kāi)，再次施加磁場(chǎng)后移動(dòng)軸將再左移一步。重復(fù)上述步驟移動(dòng)軸將一步步向左移動(dòng)。改變左右?jiàn)A鉗的控制邏輯，則可使移動(dòng)軸向右移動(dòng)。

　　MSM蠕動(dòng)型直線電機(jī)結(jié)構(gòu)原理。2MSM尺寸與彈簧壓力的確定MSM蠕動(dòng)型直線電機(jī)的移動(dòng)速度可表示為磁場(chǎng)的次數(shù)（每秒移動(dòng)的步數(shù)）；為MSM材料的變形率，其值為磁場(chǎng)強(qiáng)度丑和沿伸長(zhǎng)方向所受壓力p的函數(shù)。

　　設(shè)計(jì)MSM直線電機(jī)必須已知MSM材料的磁控特性￡（//，川。

　　所示為在不同預(yù)壓力下MSM材料的磁控特性曲線?？梢钥闯?，不同預(yù)壓力下MSM的磁控特性曲線非常復(fù)雜，不僅示具有飽和特性的非線性關(guān)系，而且具有滯環(huán)特性。必須根據(jù)直線電機(jī)負(fù)載壓力的大小和步距QMSM的變形量）的要求適當(dāng)選取MSM材料的尺寸。

　　在不同預(yù)壓力下MSM材料的磁控特性MSM材料的一般選用如所不的長(zhǎng)方形，其長(zhǎng)度/為變形伸長(zhǎng)方向，主要取決于MSM變形量的要求。高/為施加磁場(chǎng)方向，由于MSM的相對(duì)于空氣的導(dǎo)磁率僅為1.5~40，為了減少磁場(chǎng)勵(lì)磁繞組的安匝數(shù)，一般//取值較小。寬度f(wàn)t的取值則由MSM所承受負(fù)載壓力而定。

　　MSM材料尺寸的確定在MSM的應(yīng)用中，必須解決去掉磁場(chǎng)后材料恢復(fù)變形問(wèn)題。雖然可以通過(guò)沿變形伸長(zhǎng)方向C/方向）施加磁場(chǎng)使其恢復(fù)原形，然而如所示，MSM材料的長(zhǎng)度/遠(yuǎn)大于高度/，沿/方向施加足以使材料恢復(fù)變形的磁場(chǎng)所需要的勵(lì)磁功率過(guò)大而難以實(shí)現(xiàn)，因而使材料恢復(fù)原形的方法通常采用外加彈簧，如所示。采用彈簧恢復(fù)變形方式雖然便于實(shí)現(xiàn)，但也存在不利因素：①?gòu)椈蓧毫ο喈?dāng)于MSM材料承受負(fù)載力的一部分，因而加彈簧后使直線電機(jī)的負(fù)載輸出能力有所降低；②彈簧壓力必須與MSM材料恢復(fù)變形所需要的壓力相匹配，而對(duì)彈簧壓力難以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

　　時(shí)壓力與變形函數(shù)關(guān)系的試驗(yàn)曲線?？梢钥闯?，在MSM材料的變形率<4%時(shí)，恢復(fù)變形所需要的壓力不大且基本為一常數(shù)，而當(dāng)變形率超過(guò)4%后，材料承受的壓力急劇增加。MSM材料剛度的這種顯著變化，是因?yàn)樵谧冃温市∮?%時(shí)，MSM材料晶格的易磁化軸在外磁場(chǎng)作用下逐漸趨向磁場(chǎng)方向，此時(shí)不需要太大的壓力就可使易磁化軸恢復(fù)其原來(lái)的方向；而當(dāng)變形率超過(guò)4%時(shí)，晶格易磁化軸已完成對(duì)外磁場(chǎng)的取向，此時(shí)必須在很大的外P壓力下才可使其恢復(fù)原形。因此必須根據(jù)所要求的材料變形率及輸出負(fù)載力的大小，精心設(shè)計(jì)恢復(fù)MSM材料所需要的彈簧。為了便于調(diào)整恢復(fù)彈簧的預(yù)壓力，一般需要設(shè)置一個(gè)彈簧壓力調(diào)整裝置，如1所示。

　　勵(lì)磁繞組在進(jìn)行勵(lì)磁繞組初步設(shè)計(jì)時(shí)，可按"=2.5考慮，即材料自由變形率為3.5%時(shí)所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度為丑=0.5/（2.5x4jix107）=159心的導(dǎo)磁率為空氣導(dǎo)磁率的數(shù)千倍，可忽略不計(jì)磁路中鐵心部分的磁壓降，而認(rèn)為磁動(dòng)勢(shì)全部用于克服磁路氣隙部分的磁壓降。假設(shè)鐵心開(kāi)口氣隙的長(zhǎng)度為g=6mm，根據(jù)安培環(huán)路定律，則有//和g分別為氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度和氣隙長(zhǎng)。

　　將上述所需要的//值和氣隙長(zhǎng)度g值代入（3）式，可求得所需要的勵(lì)磁安匝數(shù)為M=954.9A.選擇導(dǎo)線直徑和電流密度后，便可具體決定勵(lì)磁繞組的參數(shù)和鐵心尺寸。磁路和勵(lì)磁繞組的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)可以通過(guò)有限元磁場(chǎng)分析進(jìn)行校合。

　　4.4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)MSM蠕動(dòng)型直線電機(jī)的控制系統(tǒng)應(yīng)具有下述功能：①根據(jù)對(duì)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度的要求確定勵(lì)磁繞組電流的大小和頻率；②根據(jù)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向要求的邏輯關(guān)系，控制左右?jiàn)A鉗的夾緊和松開(kāi)；③根據(jù)位置檢測(cè)信號(hào)確定位移指令。具有位置和電流閉環(huán)的控制系統(tǒng)原理框圖如所示。

　　MSM勵(lì)磁磁路及繞組結(jié)構(gòu)根據(jù)MSM變形率的要求可確定所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而確定勵(lì)磁繞組的安匝數(shù)。如要求MSM在無(wú)預(yù)壓力下的自由變形率為3.5%，由可知所需要的磁通密度為0.5T，而磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系為為MSM材料相對(duì)于空氣的導(dǎo)磁率，其值不是一個(gè)常數(shù)，而是取決于所加的磁場(chǎng)強(qiáng)度和材料的變形，當(dāng)沿伸長(zhǎng)變形垂直方向施加磁場(chǎng)而材料晶格完成磁場(chǎng)取向后的相對(duì)導(dǎo)磁率約為2.5. 5樣機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)所研制的蠕動(dòng)型直線電機(jī)外型如0所示。MSM元件及其壓力彈簧調(diào)整裝置的放大圖如1 -M所示。

　　MSM元件尺寸為5x5x20mm，力D0.6T磁場(chǎng)后實(shí)測(cè)變形率約為4%，加磁場(chǎng)前后MSM元件形狀對(duì)比如2所示。

　　3所示為MSM直線電機(jī)位移與磁場(chǎng)勵(lì)磁繞組電流關(guān)系的為MSM直線電機(jī)位移與磁場(chǎng)勵(lì)磁繞組通電頻率的關(guān)系，勵(lì)磁電流保持不變?yōu)?.5A. MSM非導(dǎo)磁槽彈簧調(diào)整螺帽1MSM與壓力彈簧裝配加磁場(chǎng)前后MSM元件變形量的比較個(gè)4通電頻率與位移的關(guān)系曲線可以看出，勵(lì)磁電流頻率由2Hz減為1Hz時(shí)，直線電機(jī)的步距不變，由于步速降低而使移動(dòng)同樣的距離所需要的時(shí)間成倍增加。

　　6結(jié)論磁控形狀記憶合金兼有壓電陶瓷和磁致伸縮材料響應(yīng)頻率快和溫控形狀記憶合金輸出應(yīng)變和應(yīng)力大的優(yōu)點(diǎn)，有望成為未來(lái)新一代執(zhí)行器的關(guān)鍵材料。利用仿生學(xué)蠕動(dòng)原理，可用磁控形狀記憶合金制造大行程的直線電機(jī)。樣機(jī)的成功研制和試驗(yàn)結(jié)果，不僅驗(yàn)證了磁控形狀記憶合金優(yōu)良的磁控特性，而且證明了磁控形狀記憶合金蠕動(dòng)型直線電機(jī)設(shè)計(jì)的可行性。然而，作為一種問(wèn)世不久的新型材料，磁控形狀記憶合金的某些特性還不夠理想，需要進(jìn)一步提尚。