張 鈺, 劉志偉
(北京航空航天大學 能源與動力工程學院,北京 100191)
微型飛行器是指結構尺寸通常小于15 cm,重量在10~100 g之間的一種新式飛行器,有固定翼、旋翼和撲翼三種飛行方式,當微型飛行器翼展小于7.5 cm時,撲翼飛行是最佳飛行方式[1]。微型撲翼飛行器的機動性、續航時間等重要飛行指標與采用的動力系統密切相關,而其中驅動器是核心部件[2]。隨著加工工藝以及設備的發展,相比于傳統靜電、壓電驅動器,電磁驅動器驅動力大、驅動電壓低、功耗小的優勢越來越明顯[3]?;诖?,本文提出一種新型電磁驅動器方案,建立電磁場中微梁振動模型,針對模型中三個影響微梁梁端振幅的影響因素,即驅動電壓、磁感應強度、電流角頻率,設計開展電磁驅動的微梁振動試驗,驗證電磁驅動器方案的可行性,基于微梁振動模型探究相關因素對微梁振動的影響規律。研究結果為后續微型撲翼飛行器電磁驅動器的優化研究奠定基礎。
磁場對其中的運動電荷或者載流導體有力的作用,若給導體施加一定約束,則其在安培力作用下受迫振動,受迫振動頻率即為交變電流頻率[4,5],如圖1(a)所示?;诖吮疚脑O計一種新型微撲翼飛行器電磁驅動器方案,如圖1(b)所示,其中記憶合金絲微梁約束于穩定磁場中,通以交流電實現微梁振動拍打,兩外伸端安裝撲翼翅膀結構用于模擬撲翼飛行。
圖1 磁場中載流導體受力與電磁驅動器方案
本文基于電磁驅動原理,運用連續系統概念,建立磁場中載流簡支微梁振動模型,作為開展后續微梁振動試驗的基礎。連續系統中假設如下:1)材料是均勻各向同性的;2)服從胡克定律;3)滿足小變形條件;4)忽略空氣阻尼[6,7]。
微梁振動簡化如圖2所示。
圖2 微梁振動簡化
其中勻強磁場磁感應強度為B,微梁長為l,截面積為A,密度為ρ,通有交流電I。假設微梁為歐拉—伯努利梁,只考慮彎曲變形,不計剪切及扭轉變形的影響,則橫向振動的偏微分方程為
(1)
式中q(x,t)為單位長度分布力。
不計阻尼的情況下,假設t=0時,電流I=0,則I=Imsinωt,微梁單位長度上的電磁力為
q(x,t)=BImsinωt
(2)
由于載荷為簡諧激勵,式(1)的解直接為穩態解。假設方程解的形式為
y(x,t)=ω(x)φ(t)
(3)
式中ω(x)為位移函數,φ(t)為時間函數,令時間函數形式為
φ(t)=sinωt
(4)
聯立式(1)~式(4),得到微梁穩態振動響應為
sinωt
(5)
(6)
由式(6)可得,電磁驅動下微梁振幅受到磁感應強度B、交流電最大值Im(即電壓最大值Um)、交流電頻率ω等外部因素影響。
基于式(6)得出的振動模型,B,Im,ω對微梁振幅的影響規律,為此開展電磁驅動微梁振動特性試驗。試驗基于記憶合金絲微梁在永磁體磁場中的振動原理,試驗裝置分別有能量輸入裝置,振動試驗件、振動形態記錄測量裝置。函數信號發生器提供驅動電壓,高速相機采集微梁振動時的變形情況并測量,振動試驗件是0.1 mm記憶合金絲微簡支梁結構,穩定磁場由兩塊NdFeB系N35永磁體材料,如圖3(a)所示,試驗示意如圖3(b)所示。微梁梁端微小振幅測量方法如圖4所示。通過高速相機拍攝微梁全振幅振動過程,在屏幕上放大量取后,換算至梁端實際振幅。屏幕顯示振幅與微梁實際振幅間換算關系為γ=9 mm/3.5 mm=2.571 429。
圖3 矩形永磁體與微梁振動試驗示意
圖4 振幅測量示意
4.1.1 試驗數據分析
控制輸入交流電壓幅值為10 V,探究四種不同磁感應強度磁場下交流電頻率對梁端振幅的影響。圖5給出了交流電頻率由10 Hz增大至200 Hz過程中,梁端振幅的變化規律,由圖可知四組頻率—曲線走向大致相同,頻率從10 Hz開始增大的過程中,梁端振幅先增大后減小,頻率大概為50 Hz處,振幅達到最大。
圖5 振幅與頻率曲線
利用有限元模態分析方法,得到本次試驗簡支微梁結構一階固有頻率為45.945 Hz??傻卯a生上述趨勢的原因:當輸入電流頻率接近結構固有頻率時,結構振幅不斷變大,當電流頻率達到固有頻率45.945 Hz時,系統發生共振,振幅達到最大。
4.1.2 振動模型分析
微梁變形較小,且處于彈性范圍,可近似認為微梁中部位移與梁端位移存在比例關系,二者比例系數為φ=20 mm/10 mm=2。故由式(6)得微梁梁端振幅
(7)
考慮到同一磁場中,即同一永磁體間距時,磁感應強度B不變,當電流角頻率為ω1時,得到梁端振幅為y1,改變電流角頻率為ω2,得到梁端振幅為y2。定義振幅比為η12=y1/y2,電流頻率變化過程中,磁感應強度B、電流最大值Im等參數均保持不變,兩式相比均可消去,由式(7)得到
(8)
由式(8)可知,振幅比η只與電流頻率相關,可反映電流頻率對梁端振幅的影響規律。同一永磁體間距條件下,令10 Hz初始電流頻率時的振幅為基本幅值y2,其他頻率時的振幅為y1,得到的一系列試驗振幅比η,同樣由式(8)也可得到理論振幅比η,如圖6所示。
圖6 振幅比η與電流頻率曲線
可以看出,隨著電流頻率的增大,振幅比η先增大后減??;輸入電流頻率小于50 Hz或大于100 Hz時,理論模型振幅比曲線可以很好擬合試驗振幅比曲線;而電流頻率介于50~100 Hz之間時,理論模型與試驗結果有較大差別;造成上述變化趨勢的原因如下:本次研究建立的理論模型為無阻尼狀態下的簡支梁模型,而實際試驗過程中存在空氣阻力,電流頻率介于50~100 Hz之間時,微梁振幅相對較大,同時運動速度相對較快,空氣的阻尼效果比較明顯。
圖6同時反映出輸入電流頻率小于50 Hz或大于100 Hz時,理論振動模型式(7)可以很好地反映微梁實際振動過程中的振幅變化規律。
控制輸入交流電頻率為50 Hz,在四種不同磁感應強度磁場中,探究輸入電壓對梁端振幅的影響。圖7給出了輸入電壓由10 V減小至1.2 V過程中,梁端振幅的變化規律如圖7所示,交流電壓最大值從1.2 V增大到2 V的過程中,振幅迅速增大;電壓最大值高于2 V以后,幅值緩慢增大??梢钥闯?,當交流電壓最大值大于2 V以后,電壓對于振幅的影響相對較小,因此,本文提出的電磁驅動器方案具有低驅動電壓,也可以實現大振幅的優勢。
圖7 梁端振幅與輸入電壓
控制輸入電壓最大值為10 V,在不同輸入電流頻率條件下,探究不同磁感應強度(即不同永磁體間距)對梁端振幅的影響。圖8給出了永磁體間距由2 mm增大至5 mm過程中,梁端振幅的變化規律??芍?,當永磁體間距減小,即磁感應強度增大時,梁端振幅不斷增大,這種趨勢在較低輸入電流頻率下尤為明顯。
圖8 梁端振幅與永磁體間距曲線
本文針對微撲翼飛行器提出一種新型電磁驅動器方案,為探究驅動器微梁的振動特性,建立了電磁場中微梁振動模型,在此基礎上設計了電磁驅動的微梁振動試驗。結合理論振動模型與試驗結果,發現在較低驅動電壓、較大磁感應強度條件下,調整輸入交流電頻率至微梁驅動器系統的固有頻率,即可實現微梁較大幅度的拍打振動,凸顯了電磁驅動器驅動力大、驅動電壓低、功耗小的優點。該結果為后續微型撲翼飛行器電磁驅動器的優化研究奠定基礎。