超磁致伸縮致動器結構設計與靜態特性實驗

陽學進，鄧思琪，李濤濤，張爭艷，陶孟侖，陳定方

（武漢理工大學智能制造與控制研究所，湖北 武漢430063）

磁致伸縮材料是一種能夠實現電磁能與機械能相互轉化的材料［1］，具有高能量密度、大耦合系數與高磁致伸縮量等性能優勢。超磁致伸縮致動器（GMA）是在超磁致伸縮材料基礎上發展起來的，具有響應速度快、應變大、驅動電壓低、控制力大的優點。GMA的結構設計在很大程度上影響其輸出特性，本文詳細介紹了GMA結構設計過程，并通過實驗獲得了GMA的靜態特性曲線。

1 GMA結構設計

如圖1所示，GMA主要由底座、殼體、螺母、頂桿、預壓彈簧、冷卻水管、GMM 棒、永磁體組成，GMM棒、底座、殼體、頂桿、螺母構成了一個封閉的磁路空間。

圖1 GMA的基本結構

超磁致伸縮致動器的工作原理基于材料的Joule效應。Joule效應是指磁性體的長度隨著外加磁場的變化而相應變化的現象。因此，外加磁場的設計是超磁致伸縮致動器結構設計的核心。

超磁致伸縮致動器的設計一般基于以下的考慮：優化磁路設計、優選GMM材料、優化線圈尺寸、設計合適的偏置磁場、沿著軸線施加與材料軸線嚴格平行的預壓力、需要專門的溫控裝置［2－3］。

1.1 基本磁路設計

1.1.1 GMM棒選擇 由于所設計的致動器應用于動態環境，因此需要考慮材料在動態條件下的損耗。文獻［4］通過實驗，對堆疊結構超磁致伸縮棒和整體超磁致伸縮棒的阻抗頻譜曲線進行了對比，發現在動態條件下堆疊結構的超磁致伸縮棒損耗更小。本研究即采用堆疊結構超磁致伸縮棒。

1.1.2 驅動磁場設計 驅動磁場的設計主要包括電流密度、激勵電流、導線直徑、單位長度安匝數、單位高度安匝數、線圈內半徑、線圈厚度、線圈總匝數、軸向磁場強度等的選擇。驅動磁場各參數如下：尺寸大小，8mm×50mm；電流密度，4A／mm2；電流，1A；排繞系數，1.05；疊繞系數，1.15；線圈匝數，390；線徑，0.8mm。

1.2 偏置磁場設計

部分磁疇的轉動引起磁致伸縮，使得材料的內部發生形變，從而引起材料在磁場方向的伸長。隨著磁場的增加，磁疇最后達到飽和。此時若是反向磁場，磁疇的轉動也沿著磁場的方向發生反向，同樣導致材料長度的增加。

在致動器中，驅動磁場由線圈通電產生，施加反向電流與施加正向電流都可產生正的磁致伸縮，發生機械運動的頻率為輸入電流頻率的2倍，此時會產生倍頻現象。

為了避免倍頻現象，需要添加偏置磁場，其大小為磁化曲線線性段一半處所對應的值。在偏置磁場的作用下，超磁致伸縮棒產生一個初始伸長。當施加一個正向交流電流時，產生的磁場使磁致伸縮棒伸長。在交流電流的負半周，施加磁場與偏置磁場相互抵消，磁致伸縮棒的位移從中心位置逐漸減小。采用偏置磁場在交流激磁的條件下可得到與電流頻率相同，以位置Δ為中心的機械振動。

在本設計中，利用永磁體提供偏置磁場，永磁體的矯頑力為895 000A／m。

1.3 預壓機構設計

在棒材軸向施加預壓力，一方面可顯著提高材料在低磁場下的磁致伸縮，另一方面避免超磁致伸縮材料在工作時承受拉應力的作用［5］。在所設計的超磁致伸縮致動器中，為能夠較好地提高超磁致伸縮棒的性能，選取的預壓力大小為4MPa。預壓結構實物組成見圖2。

圖2 預壓機構組成

1.4 水冷結構設計

致動器驅動線圈通電會產生大量的熱，而溫度上升會導致超磁致伸縮棒發生熱膨脹以及磁致伸縮系數不穩定［6］，因此必須設計水冷結構來控制致動器的發熱。目前采用比較多的冷卻方式分為水冷腔和銅水管。本設計采用銅水管纏繞的方式進行冷卻。本研究所設計的超磁致伸縮致動器的加工實物見圖3。

圖3 GMA的加工實物圖

2 超磁致伸縮致動器靜態特性實驗

GMA靜態實驗研究的目的在于分析不同工作條件對GMA輸出特性的影響，為GMA動態實驗研究工況選擇提供依據。本研究主要分析預壓力及驅動磁場的變化對GMA輸出特性的影響。

2.1 預壓力對GMA輸出的影響

在預壓力實驗中，通過調節所設計的銷螺母高度來改變彈簧的伸縮量，從而達到實現不同預壓力下實驗的目的。選擇預壓力分別為1.38MPa、2.76 MPa、4.14MPa和5.53MPa的工作條件進行實驗，得到GMA的輸出位移曲線（圖4）。

圖4 不同預壓力下GMA位移輸出曲線

由圖4可得：1）在不同預壓力作用下，輸出位移與驅動磁場形成良好的滯回環形狀，驗證了超磁致伸縮材料磁滯特性的存在；2）當預壓力在1.38～4.14MPa范圍內時，GMA最大輸出位移隨著預壓力增大而呈現遞增狀態，當預壓力增大到5.53MPa時，GMA最大輸出位移驟然降低，且低于預壓力為1.38MPa時的輸出量。綜合實驗結果可知，預壓力在4.14MPa以內，GMA最大輸出位移隨著預壓力增大而增大；當預壓力超過4.14MPa后，GMA最大輸出位移隨著預壓力增大反而減小。因此GMA的最佳預壓力大小為4.14MPa。

2.2 驅動磁場對GMA輸出影響

GMA的輸出受到預壓力與驅動磁場大小的共同影響，綜合預壓力實驗結果與磁場驅動范圍影響結果，才能最終確定GMA的最優工作狀態。在相同的預壓力、不同的驅動磁場作用下，GMA的輸出曲線見圖5。

圖5 不同驅動磁場下GMA位移輸出曲線

從圖中曲線可以看出，在同一預壓力下，隨著驅動磁場強度增大，GMA輸出位移不斷增大，說明局部范圍內磁場強度增加，利于發揮GMA輸出特性。另一方面，隨著磁場強度增大，磁滯回線的滯環面積增大，說明超磁致伸縮材料位移增大的背后隱含著更多的磁滯能量損耗，因此驅動磁場的選取要在合理的區域。

3 結語

本文重點闡述了超磁致伸縮致動器的結構設計，并加工出致動器實物。同時通過實驗測得了不同預壓力、不同驅動磁場強度條件下GMA的輸出位移曲線，并得到了相應的結論，為GMA的設計及工作情況優選提供了理論支持與實驗依據。

［1］ 姜德生.智能材料 器件 結構域應用［M］.武漢：武漢工業大學出版社，2000.

［2］ 鄔義杰，劉楚輝.超磁致伸縮驅動器設計方法的研究［J］.浙江大學學報（工學版），2004，38（06）：747－750.

［3］ 賈振元，楊 興，郭東明.超磁致伸縮材料微位移執行器的設計理論及方法［J］.機械工程學報，2001，37（11）：46－49.

［4］ 陶孟侖，陳定方，盧全國，等.超磁致伸縮材料動態渦流損耗模型及實驗分析［J］.機械工程學報，2012，48（13）：146－151.

［5］ 王博文.超磁致伸縮材料制備與器件設計［M］.北京：冶金工業出版社，2003.

［6］ 盧全國，陳定方，鐘毓寧.超磁致伸縮致動器熱變形影響及溫控研究［J］.中國機械工程，2007，18（01）：16－19.