大行程磁流体致动器的永磁增强技术

《Sensors and Actuators A: Physical》：Permanent magnet enhancement technology for large-stroke ferrofluid actuators

　　

•创新设计了一种具有永磁增强技术的磁流体执行器，大大提高了磁流体执行器驱动磁感应强度。这使得执行器仅需 200 mA 电流即可实现高达 300 微米的变形，而传统技术需要超过 2 A 的电流才能实现相同的变形。增强后的磁场显著提高了执行器的负载能力，同时降低了能耗，为各种应用提供了更高效、更强大的解决方案。•为执行器中永磁体的吸合、运动和返回开发的时序序列确保了永磁体运动的精确和高效控制。通过仔细协调线圈的通电，时序序列降低了能耗，增强了系统稳定性，并优化了执行器的整体性能。这使得执行器能够实现快速响应时间和平稳运行，非常适合需要快速调整和高精度的动态应用。

引言
自诞生以来，激光技术凭借其高功率、优良的方向性、相干性和单色性，在工业、医疗和军事应用中得到了广泛使用 [1]。然而，传统激光光束的固有传播特性并不总是符合现代应用需求 [2]，[3]。为了扩大适用性并提高系统性能，光束整形已成为一种必不可少的方法。该技术调整激光光束的辐照度和相位剖面以匹配特定需求 [4]，[5]，[6]。早期的光束整形依赖于孔径技术来扩展和裁剪光束，但这些技术存在显著的能量损失 [7]。因此，研究转向了使用静态光学元件和自适应光学进行低损耗整形。静态光学——如非球面透镜、微透镜阵列、双折射透镜和衍射光学——提供了精确的整形，但缺乏动态适应的灵活性 [8]，[9]，[10]，[11]，[12]，[13]。自适应光学技术，如液晶空间光调制器 (SLMs) [14]，[15]，[16] 和变形镜 (DMs) [17]，[18]，[19]，提供了优越的适应性，但可能受限于波长兼容性和成本。

对于需要大行程驱动的应用，液体变形镜作为一种有前景的替代方案脱颖而出。这些镜子使用旋转液体容器通过离心力产生抛物线反射面，提供低成本、可扩展性和可调焦距，并且对重力的敏感性降低 [20]，[21]，[22]，[23]。

最近的研究介绍了几种液体镜子设计，包括毛细管驱动镜子、电润湿 Janus 瓦片以及基于全内反射的液 - 气界面镜子 [24]。尽管具有创新性，但这些设计通常仍依赖于连续的能量输入。特别是磁流体变形镜，需要相当大的电流来产生非均匀磁场以整形流体，导致高能耗和热漂移。例如，即使使用电流，可实现的变形也很少超过 [25]，[26]，[27]，[28]，[29]，[30]，[31]，[32]。

受 Jakub Bernat 等人工作的启发，我们开发了一种新型的由永磁体增强的大行程磁流体执行器 [29]。通过在磁流体中嵌入永磁球，该设备实现了更强的磁场，从而具有更大的变形能力。它仅需 mA 电流即可实现行程和角度控制，支持快速响应，并在无需持续供电的情况下保持形状。该执行器可以驱动静态光学元件进行动态光束偏转，也可以作为磁流体变形镜 (MFDM) 功能。通过对比实验分析并验证了两种应用模式，展示了其在紧凑、节能的 LiDAR 光束转向系统中的潜力。

章节摘要
永磁增强执行器的工作原理
在图 1 中，该设计使用空心圆线圈阵列来驱动永磁球的运动，可以用多个稳定位置和低功耗控制永磁球的位置。在本实验研究中，使用了四个线性排列的空心圆线圈。虽然更多的线圈将通过为永磁球提供更多稳定位置来扩展执行器的范围，但四个线圈是

实验与结果
磁场控制是确保执行器性能的关键因素。为了确定单个线圈在不同高度平面的磁通密度，使用了一台配备 HMMT-6J04-VR 霍尔探头（读数精度，分辨率 0.1 T）的 Lake Shore Model 425 高斯计。探头安装在一个定位分辨率为 0.01 mm 的三轴手动平移台上，实现了精确的空间扫描。所有测量均在室温（C）下进行。

讨论
本研究设计的执行器具有几个优异的特性，包括低成本、显著的形状变形和快速响应。这些属性使得执行器在激光光束整形技术中具有广泛的应用前景。未来的研究可能会探索将执行器集成到更复杂的系统中。随着技术进步和设计优化，我们相信这种执行器将在发展...中拥有更广阔的应用前景。

结论
本研究展示了一种由永磁技术增强的大行程磁流体执行器的设计和开发，显著提高了执行器的驱动磁感应强度。这一创新不仅提高了执行器的负载能力，同时降低了能耗，而且代表了相对于传统磁流体执行器的重大进步。这项技术在多个领域的前景广阔。在激光光束整形和自适应

CRediT 作者贡献声明
Hangyu Zhou: 概念化，数据整理，形式分析，调查，方法论，项目管理，资源，软件，验证，可视化，写作 – 原稿，写作 – 审阅与编辑。Wei Bian: 数据整理，形式分析，可视化，写作 – 审阅与编辑。Wenshuai Lu: 资金获取，可视化，写作 – 审阅与编辑。Rui You: 写作 – 审阅与编辑，形式分析，验证。

竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本报告中的工作。

致谢
本研究由国家自然科学基金 (No. U21A6003)、北京杰出青年科学家计划 (No. JWZQ20240101028) 资助。

Hangyu Zhou 于 2017 年从吉林大学获得电子信息科学与技术学士学位，目前在北京信息科技大学攻读硕士学位，主要研究重点是微机电系统 (MEMS)。

Hangyu Zhou|Wei Bian|Wenshuai Lu|Rui You