CC BY
44'Приборостроение, системы управления, электронная и
УДК 681.2-2
РАЗРАБОТКА ПОВОРОТНОГО АКТУАТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ «УМНЫХ» МАТЕРИАЛОВ
DEVELOPMENT OF A ROTARY ACTUATOR WITH USAGE OF «SMART» MATERIALS
DOI: 10.24411/9999-046A-2020-11020
Пннегнн И. Р., бакалавр, студент ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина» Pinegin I. R., Bachelor, student at the Ural Federal University named after the First President of Russia Boris Yeltsin
Усов Д. И., студент ФГАОУ ВО «Уральский
федеральный университет имени первого
Президента России Б. Н. Ельцина»
Usov D. I., Student at the Ural Federal University
named after the First President of Russia
Boris Yeltsin
Павлова А. Д., бакалавр, студент ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина» Pavlova A. D., Bachelor, student at the Ural Federal University named after the First President of Russia Boris Yeltsin
Овчинникова В. А., заместитель проректора по проектному обучению ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина» Ovchinnikova V. A., Deputy Vice-Rector for Project Training of the Ural Federal University named after the First President of Russia Boris Yeltsin
В работе предложены исследования прутков галфенола 18,4 % Ga, произведенных методом Бриджмана — Стокбаргера. Результаты исследования показали коэффициент магнитост-рикции от 50 до 55 частей на миллион. На основе данных показаний были составлены графики зависимости максимального проектного удлинения галфенола от напряженности. Были проведены расчеты по разработке прецизионного поворотного актуатора с использованием проектного варианта галфенола с удлинением до 1 %.
In the work researches of bars of galfenol 18,4 % Ga, made by a method of Bridgemann — Stockbarger are offered. The results of the study showed magnetostriction coefficient from 50 to 55 parts per million. On the basis of these readings, graphs of the dependence of the maximum design elongation of halfenol on the stress were made. Calculations were made to develop a precision rotary actuator using a design version of galfenol with an elongation of up to 1 %.
Ключевые слова: высокоточные электродвигатели, микроэлектродвигатели, магнитострикция, оптические системы, поворотный актуатор, галфенол, магнитомягкие сплавы
Keywords: high precision electric motor, micro electric motor, magnetostriction, optical systems, rotary actuator, galfenol, soft magnetic alloys
Вводная часть
В настоящий момент обширное распространение получают точные оптические системы. Они применяются в 3D-принтерах, системах управления и оптических детекторах. Для увеличения точности и диапазона работы оптических систем предлагается использовать поворотный актуатор. Для обеспечения компактных размеров в качестве привода предлагается использовать материал с гигантской магнитострикцией. Аналогичных результатов можно достичь с использованием пьезокерамических двигателей, но данные устройства обладают существенным ограничением по температуре эксплуатации и скорости действия.
Основная часть
Исследование. Основной задачей исследования была разработка поворотного актуатора для обеспечения точного и быстрого поворота на малые углы. Для получения малого угла поворота при малых размерах
двигателя было решено использовать «умные» материалы, то есть достигать перемещения не за счет механических взаимодействий, а за счет физических свойств материалов и их способности деформироваться под воздействием неких внешних воздействий.
Проводилось сравнение между электроактивными полимерами, пьезоэлектрическими элементами и материалами с гигантским магнитост-рикционным эффектом.
Выбор проводился по следующим характеристикам:
• усилие;
• перемещение;
• управляющее напряжение;
• скорость отклика;
• точность реакции;
• простота обработки;
• возможность управления;
• температура работы;
• колебания среды;
• магнитные помехи.
Характеристики материалов представлены в табл. 1.
Исходя из полученных значений было решено использовать материалы с гигантским магни-тострикционным эффектом (МЭ), как сочетающие в себе высокие силовые характеристики и быстродействие пьезокерамики и простоту обработки и управления электроактивных полимеров.
Материалы с гигантским магнитострикцион-ным эффектом используют эффект магнитострик-ции, заключающийся в изменении геометрических размеров и свойств тела в магнитном поле [1].
Наиболее перспективными материалами являются пермендюр, галфенол и терфенол^.
Пермендюр [6] — это сплав железа и кобальта (47—50 % и 48—50 % соответственно). Обладает высокой плотностью — 8150 кг/м3, и низким электрическим сопротивлением — 4 • 10-5 Ом. Магнитострикционное относительное удлинение (магнитострикция насыщения) составляет (60—100)-10—6, коэрцитивная сила (рабочая напряженность магнитного поля) составляет 160 А/м. Пермендюр производится в виде лент и листов или прутков и поковок, может быть обработан резанием.
Галфенол [3] — сплав железа и галлия (80 ± 4 % и 20 ± 4 % соответственно). Плотность галфе-нола 7600 кг/м3, электрическое сопротивление 80-10-6 Ом. Магнитострикция насыщения колеблется (400—10 000)*10—6, коэрцитивная сила 795 А/м [5, с. 73]. Галфенол производится в виде лент, листов, прутков и поковок методами порошковой металлургии, может быть обработан резанием.
Терфенол^ [4] — сплав тербия, диспрозия и железа (9 %, 24 % и 67 % соответственно). Плотность 9200 кг/м3, электрическое сопротивление 60-10-8 Ом. Магнитострикция насыщения достигает 800 • 10—6—6-10-2, коэрцитивная сила 160-103 А/м. Терфенол^ является высокотоксичным сплавом редкоземельных металлов, производится методами порошковой металлургии, может быть обработан резанием.
Сравнение характеристик материалов с гигантским магнитострикционным эффектом представлено в табл. 2.
Таблица 1
Характеристики «умных» материалов
Характеристика Материал
Электроактивные полимеры Пьезоэлектрические элементы Материалы с гигантским магнитострикционным эффектом
1 2 3 4
Перемещение, % 10 100 До 6
Усилие, Н 0,004 10 4000
Управляющее напряжение, В 4 45 30
Скорость отклика, с 0,05 0,01 5 -10-5
Точность реакции, % 0,1 0,001 5-10-4
Простота обработки Обрабатывается Требуется специаль- Обрабатывается традиционными
резанием ное оборудование методами металлообработки
Возможность управления Недорогая схема Дорогая схема Недорогая схема управления
управления управления
Температура работы, °С 58-100 0-40 -50-200
Устойчивость к колебаниям среды, Гц 0,1-100 0,1-100 0,1-20 000
Устойчивость к магнитным помехам При высоком собст- При магнитно- Работает в больших магнитных
венном напряжении экранированном полях
устойчивы к помехам исполнении
Таблица 2
Характеристики материалов
Параметр Материал
Пермендюр Галфенол Терфенол^
1 2 3 4
Плотность, кг/м3 8150 7600 9200
Точка Кюри, °С 950 680 380
Коэрцитивная сила, А/м 160 795 160-103
Намагниченность насыщения, Тл 2-2,3 1,5 1
Модуль Юнга, ГПа 207 75 55
Магнитная проницаемость, Гн/м 700 100 10
Относительное магнитострикционное удлинение, ррт 60-100 400-104 800—6-104
Возможность обработки резанием Обрабатывается Обрабатывается Обрабатывается
Токсичность - - +
Содержит редкоземельные металлы - - +
Усилие, на 1 мм2, Н 3800 1400 1000
Стоит отметить, что максимальные значения относительного удлинения достигаются при приложении предварительной нагрузки, составляющей до 450 МПа [2]. Поскольку главными факторами являются удлинение, намагниченность и безопасность эксплуатации, было принято решение использовать в качестве рабочего материала галфенол.
Кристаллы галфенола производятся путем смешения порошков железа и галлия. После смешения порошок обрабатывается одним из двух методов — методом зонной плавки кристаллов или методом Бриджмана — Стокбаргера.
В рамках данной работы разрабатывался акту-атор для обеспечения поворота на угол 9 градусов. Для обеспечения угла поворота с максимальной точностью выходной вал двигателя должен передавать поворот напрямую, без каких-либо кинематических схем, поэтому двигатель должен обладать компактными размерами, которые позволят ему поместиться в датчик, не сместив другие компоненты с их мест расположения. ТЗ на изделие представлено в табл. 3.
Довольно малые габариты и большой крутящий момент не являются проблемой, поскольку усилие, развиваемое магнитострикционными материалами, напрямую зависит от их модуля Юнга. Так, галфеноловый стержень диаметром 10 мм развивает усилие около 140 кН.
Для достижения поворота на 9 градусов с помощью материала с 1 % удлинения решено использовать проволоку из галфенола, завитую в коническую винтовую пружину. Один виток пружины дает 3,6° поворота при удлинении. При использовании конической пружины будет наблюдаться следующая закономерность — 1 % удлинения самого большого витка будет эквивалентен х % удлинения самого малого витка обратно пропорционально отношению длин самого большого и самого малого витка.
Испытания. На данный момент галфенол с показателями магнитострикции до 1 % производит только одна американская компания — Е11гета. Стоимость одного стержня диаметром 8,5 мм и длиной 70 мм (минимальный объем заказа) составляет 750 долларов США, поэтому для изучения магнитострикционных свойств было принято решение испытывать галфеноловый стержень, произведенный методом Бриджмана — Стокбаргера в Институте физики металлов имени М. Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (далее — ИФМ).
Галфенол, производимый специалистами ИФМ, не подвергается ориентированию кристаллов и предварительной нагрузке, поэтому его показатели магнитострикции на несколько порядков ниже — в районе 40—150 ррт. Поскольку магнитострикция как явление имеет одинаковый физический характер для любой ориентации
Таблица 3
ТЗ на разработку поворотного микроактуатора
Мощность, Вт 0,02
Обеспечиваемый угол поворота, ° 9
Момент поворота, Нм 0,4
Потребляемая мощность, Вт 0,015
Напряжение питания, В 9
Рабочая температура, °С —50...130
Скорость поворота, рад/с 10 000
Точность позиционирования, мкрад 20
Масса, кг 0,01
Габариты, мм 010x7
M
H (Oe)
Рис. 1. График зависимости магнитострикции от напряженности магнитного поля — необработанный вал
кристаллов, было принято решение сравнить полученные данные с графиками зависимости маг-нитострикции от напряженности магнитного поля с данными, полученными 18и, Е11гета и специалистов МГУ имени М. В. Ломоносова.
В процессе исследования в одинаковых условиях было изготовлено два стержня из галфенола 18,4 % Ga диаметром 8,5 мм и длиной 75 мм. Один из стержней проходил испытания в необработанном виде, второй перед испытаниями был проточен в пруток до размеров 55 мм, диаметр 7,5 мм.
Для создания магнитного поля, пронизывающего галфеноловый стержень в нужном направлении, использовалась катушка из медной проволоки сечением 0,5 мм. Для измерения внешнего магнитного поля, создаваемого катушкой, использовался датчик Холла. Для проверки маг-нитострикционных свойств галфенола значения магнитного поля варьировались в пределах от 0 до 120 кА/м [30].
График зависимости магнитострикции от магнитного поля для необработанного вала представлен на рис. 1.
На графике Н — напряженность магнитного поля в Эрстедах (Ое); М — магнитострикция, ррт; М — обратная деформация тела при понижении напряженности, ррт.
Как можно заметить, при малых значениях напряженности магнитного поля наблюдается практически квадратичная зависимость, затем наблюдается достаточно протяженный участок
графика, выражающийся линейной зависимостью, после чего зависимость приобретает характер функции степени с показателем, меньшим 1. Как можно заметить, после определенного значения, примерно равного 500 Э, магнитострик-ционного удлинения практически не наблюдается, поэтому в процессе проектирования данное значение напряженности поля принималось за максимальное.
График зависимости магнитострикции от напряженности поля для обработанного на токарном станке вала представлен на рис. 2.
Характер зависимости магнитострикции от напряженности не изменяется, но максимальные показатели магнитострикции выше — это вызвано тем, что при производстве кристаллы ближе к центру тигеля под воздействием магнитного потока, создаваемого катушкой индуктивности, претерпевают процесс ориентации по направлению потока, поэтому ближе к центру вала наблюдается большее скопление кристаллов, ориентированных в измеряемом направлении.
На основе полученных данных с помощью программы МаШСаё была разработана модель зависимости магнитострикции от напряженности магнитного поля для галфенола с магнитострик-цией 1 %. Данный график представлен на рис. 3.
График зависимости угла поворота от магни-тострикции для данной модели представлен на рис. 4.
Для схемы управления наиболее актуальной и важной информацией является зависимость угла
M
Mj
H (Oe)
Рис. 2. График зависимости магнитострикции от напряженности магнитного поля — обработанный вал
M
щ
H (Ое)
Рис. 3. График зависимости магнитострикции от напряженности магнитного поля для проектного образца галфенола
а
а
Рис. 4. Зависимость угла поворота от магнитострикции
а}
9,5
8,85
7,6
6,65
5,7
4,75
3,8
2,85
1,9
0,95
0
0,09 0,017 0,026 0,034 0,043 0,051 0,06 0,068 0,077 0
и (V)
Рис. 5. Зависимость угла поворота от напряжения на катушке
поворота от напряжения, подаваемого на катушку. График зависимости угла поворота от напряжения на катушке представлен на рис. 5.
Заключение. В ходе данной работы было проведено исследование зависимости магнитострик-ции в галфеноле с 18,4 % галлия. На основе по-
лученных данных была составлена схема управления магнитострикцией галфенола.
Спроектированная конструкция двигателя обеспечивает угол поворота зеркала 9,48°. Крутящий момент на валу двигателя с размерами 11,3 мм, диаметром 9 мм составляет 405 Н • мм.
а
В процессе разработки конструкции использовались новые направления обработки материалов — выращивание поликристаллических структур с созданием предварительных внутренних напряжений, 3D-печать методом селективного лазерного спекания (SLS).
При освоении производства галфенола с проектными показателями магнитострикции высокоточные оптические системы можно будет использовать в условиях экстремальных температур и шумового загрязнения (как в низких, так и в высоких частотах).
Список литературы
1. «Magnetostriction and Magnetostrictive Materials». Active Material Laboratory. UCLA. Archived from the original on 2006-02-02.
2. Downing J., Na S.-M., Flatau A. (January 2017). «Compressive pre-stress effects on magnetostrictive behaviors of highly textured Galfenol and Alfenol thin sheets». AIP Advances. 7 (5): 056420. doi:10.1063/1.4974064. 056420.
3. Etrema company свойства галфенола [электронный ресурс]. Режим доступа: http://tdvib.com/galfenol/, свободный.
4. Etrema company свойства терфенола-Д [электронный ресурс]. Режим доступа: http://tdvib.com/terfenol-d/, свободный.
5. Grossinger R., Turtelli R. Sato, Mahmood N. (2014). «Materials with high magnetostriction». IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 60: 012002. doi: 10.1088/1757-899X/60/1/012002.
6. High temp materials технические свойства пермендюра 49К2Ф [электронный ресурс]. Режим доступа: https:// www.hightempmetals.com/techdata/hitempPermendurdata.php, свободный.
7. Li J. H., Gao X. X., Xie J. X., Yuan C., Zhu J., Yu R. B. (July 2012). «Recrystallization behavior and magnetostriction under pre-compressive stress of Fe—Ga—B sheets». Intermetallics. 26: 66—71. doi: 10.1016/j.intermet.2012.02.019.
8. Park Jung Jin, Na Suok-Min, Raghunath, Ganesh; Flatau, Alison B. (March 2016). «Stress-anneal-induced magnetic ani-sotropy in highly textured Fe-Ga and Fe-Al magnetostrictive strips for bending-mode vibrational energy harvesters». AIP Advances. 6 (5): 056221. Bibcode: 2016AIPA....6e6221P. doi: 10.1063/1.4944772.
9. Summers Eric M., Lograsso Thomas A., Snodgrass Jonathan D. and Slaughter Julie C. «Magnetic and Mechanical Properties of Polycrystalline Galfenol» (2004). Ames Laboratory Conference Papers, Posters, and Presentations. 59.
10. Wang T., Farajollahi M., Choi Y. S., Lin I. T., Marshall J. E., Thompson N. M., Kar-Narayan S., Madden J. D., Smou-kov S. K. Electroactive polymers for sensing. Interface Focus. 2016 Aug 6;6(4):20160026. doi: 10.1098/rsfs.2016.0026. PubMed PMID: 27499846; PubMed Central PMCID: PMC4918837.
11. Бертрам Торстен, Газаров Карен Николаевич, Кучерова Анастасия Викторовна, Ланкин Михаил Владимирович, Ру-дерман Михаил. Установка для испытаний современных магнитострикционных материалов и устройств с их использованием // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2011. № 4.
