高頻驅(qū)動(dòng)超磁致伸縮致動(dòng)器的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)與分析

張志富，陳定方，李濤濤，鄧思琪

（武漢理工大學(xué) 智能制造與控制研究所，湖北 武漢430063）

超磁致伸縮材料（GMM）主要是指以（Tb，Dy）Fe2化合物為基體的合金。作為高效智能材料的典型代表之一，超磁致伸縮材料有著輸出位移大、抗載能力強(qiáng)、磁機(jī)轉(zhuǎn)換效率高以及響應(yīng)速度快等性能優(yōu)勢(shì)［1］，但是國(guó)內(nèi)對(duì)超磁致伸縮致動(dòng)器（GMA）的研究仍然存在以下幾個(gè)方面問(wèn)題：一是較多地集中在準(zhǔn)靜態(tài)或者低頻域的范圍內(nèi)，對(duì)高頻域內(nèi)的研究較為薄弱；二是設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于超磁致伸縮致動(dòng)器的磁場(chǎng)多以軸線方向上磁場(chǎng)強(qiáng)度為檢驗(yàn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不利于建立精確的三維空間磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)出一款用于高頻的超磁致伸縮致動(dòng)器，在ANSYS平臺(tái)上建立了精確的勵(lì)磁線圈空間磁場(chǎng)模型［3］，對(duì)磁場(chǎng)均勻性［3－4］，以及交流驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)與靜態(tài)偏置磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真與分析。

1 高頻驅(qū)動(dòng)的超磁致伸縮致動(dòng)器設(shè)計(jì)

高頻域下的GMA與工作于靜態(tài)（準(zhǔn)靜態(tài)）的GMA存在異同。本文參考傳統(tǒng)靜態(tài)超磁致伸縮致動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)考慮了交流電驅(qū)動(dòng)引起的非線性因素，設(shè)計(jì)出高頻驅(qū)動(dòng)下小物理體積、大能量輸出的超磁致伸縮致動(dòng)器。所設(shè)計(jì)的超磁致伸縮致動(dòng)器如圖1所示。

在合適的偏置磁場(chǎng)下，可使GMM棒工作于伸縮性能良好的線性區(qū)域。此時(shí)，當(dāng)輸入為交變磁場(chǎng)時(shí)，超磁致伸縮棒將會(huì)產(chǎn)生與交變磁場(chǎng)同頻率的交變輸出位移，使得GMM棒體發(fā)生位移振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。圖2為偏置磁場(chǎng)下正弦信號(hào)、方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)時(shí)GMM的振動(dòng)輸出原理圖。

與傳統(tǒng)的壓電材料相比，超磁致伸縮材料具有優(yōu)良的磁彈性能，其反應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間極短，可達(dá)6～10s，而且其能量密度高達(dá)14～25J／m3。為此，在高頻率的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)下，將會(huì)產(chǎn)生極快的響應(yīng)與極高的振動(dòng)能量輸出，充分發(fā)揮出超磁致伸縮材料優(yōu)良的材料性能。

圖1 高頻超磁致伸縮致動(dòng)器總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 超磁致伸縮材料振動(dòng)機(jī)理圖

2 高頻GMA動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)有限元分析

2.1 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)分析

通過(guò)對(duì)激勵(lì)線圈磁場(chǎng)模型的分析，掌握了螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)分布特性，為驅(qū)動(dòng)線圈設(shè)計(jì)尺寸的選擇與優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。而在具體器件應(yīng)用中，磁場(chǎng)的分布情況還與器件結(jié)構(gòu)尺寸、漏磁情況及材料的磁導(dǎo)率有著密切關(guān)系，在超磁致伸縮致動(dòng)器的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)這些因素進(jìn)行綜合考慮。如果采用理論磁場(chǎng)計(jì)算方案對(duì)GMM棒內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，則必須要面對(duì)理論磁場(chǎng)數(shù)學(xué)建模難度過(guò)大的難題，可操作性不強(qiáng)［5］。為此，采用基于“場(chǎng)”的有限元方法完成對(duì)超磁致伸縮致動(dòng)器磁場(chǎng)的整體設(shè)計(jì)與分析。GMA的閉合磁路主要由底座、下導(dǎo)磁塊、GMM棒、上導(dǎo)磁塊、輸出軸及殼體組成，各個(gè)部分電磁學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 GMA閉合磁路零件材料電磁學(xué)參數(shù)表

雖然GMM棒體為疊片式結(jié)構(gòu)，但在靜態(tài)電流驅(qū)動(dòng)時(shí)不存在渦流影響，可視GMM棒為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，忽略少量的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)影響，GMA可以看作完全軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在建模過(guò)程中采用軸對(duì)稱(chēng)建模方法，只需建立其軸對(duì)稱(chēng)截面即可模擬整個(gè)GMA的模型，使計(jì)算量大大降低。對(duì)所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載與求解，最終的分析模型與結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 超磁致伸縮致動(dòng)器靜態(tài)磁場(chǎng)仿真圖

從分析結(jié)果可見(jiàn)，驅(qū)動(dòng)線圈所產(chǎn)生的大部分磁力線通過(guò)GMM棒，經(jīng)過(guò)上導(dǎo)磁塊、輸出軸、外壁底座與下導(dǎo)磁塊形成閉合回路。雖然輸出軸與外壁之間存在少量間隙，但由于空氣磁導(dǎo)率較小，漏磁極少。從磁場(chǎng)強(qiáng)度分布來(lái)看，分布在GMM棒上的磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，磁能較多地用于對(duì)GMM棒的驅(qū)動(dòng)，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的GMA磁路合理。

2.2 交流驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)有限元分析與激勵(lì)頻率討論

在交流驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)下，電阻率將會(huì)在GMM棒中產(chǎn)生渦流，而渦流將會(huì)對(duì)GMM棒產(chǎn)生渦流熱效應(yīng)與集膚效應(yīng)影響，渦流熱效應(yīng)通過(guò)溫度變化影響超磁致伸縮材料的各項(xiàng)性能，集膚效應(yīng)則會(huì)引起超磁致材料內(nèi)部磁場(chǎng)非線性問(wèn)題。圖4給出了不同驅(qū)動(dòng)頻率的電流下GMA磁場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況，圖5給出GMM棒中間截面磁場(chǎng)強(qiáng)度隨徑向距離的變化。

圖4 不同驅(qū)動(dòng)頻率下GMA磁場(chǎng)分布圖

圖5 GMM棒磁場(chǎng)強(qiáng)度隨徑向距離變化圖

從結(jié)果可以看出，在交流電驅(qū)動(dòng)下，GMM棒中磁場(chǎng)分布具有如下特點(diǎn)：1）在交流電流驅(qū)動(dòng)下，沿著GMM棒體徑向方向上，呈現(xiàn)出靠近軸線方向上磁場(chǎng)強(qiáng)度小，遠(yuǎn)離軸線處的磁場(chǎng)強(qiáng)度大的特點(diǎn)；2）隨著驅(qū)動(dòng)頻率逐漸增大，分布在GMM棒體上的磁場(chǎng)強(qiáng)度整體逐漸減小。在越靠近軸線處，磁場(chǎng)強(qiáng)度降低幅度更大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率達(dá)到600Hz時(shí)，軸線處磁場(chǎng)強(qiáng)度減小到零，而遠(yuǎn)離軸線靠近棒體外徑處，磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量很小。

GMM棒體內(nèi)磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，證明了交流驅(qū)動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)分布集膚效應(yīng)導(dǎo)致GMM棒中各部分伸長(zhǎng)不均勻，使得GMM棒外表伸長(zhǎng)量大于內(nèi)部伸長(zhǎng)量，進(jìn)而引起GMM棒芯部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而影響GMM使用壽命與材料性能。為了充分發(fā)揮超磁致伸縮材料的性能優(yōu)勢(shì)，將GMM棒體沿軸向切割為多層疊片，使用絕緣的環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)各疊片進(jìn)行粘貼，達(dá)到抑制渦流效應(yīng)的作用。

3 偏置磁場(chǎng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

在實(shí)現(xiàn)偏置磁場(chǎng)的仿真過(guò)程中，采用圓筒永磁鐵、圓柱永磁鐵及偏置線圈組合作用或單個(gè)作用的多種不同設(shè)計(jì)方案。GMA結(jié)構(gòu)優(yōu)劣評(píng)判及最優(yōu)偏置磁場(chǎng)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2。

表2 偏置磁場(chǎng)設(shè)計(jì)方案組合表

由表2可知，設(shè)計(jì)方案的組合情況呈現(xiàn)以對(duì)角線為軸的對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，為了避免重復(fù)設(shè)計(jì)，只需完成對(duì)角線及其以下（上）設(shè)計(jì)方案的仿真即可。各設(shè)計(jì)方案的偏置磁場(chǎng)的磁力線分布、磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖及GMM棒體上磁場(chǎng)強(qiáng)度如圖6所示。可以看出，單獨(dú)圓筒永磁體與單獨(dú)線圈的兩種設(shè)計(jì)方案所產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)均勻度較好。考慮到偏置磁場(chǎng)所需磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，采用偏置線圈的設(shè)計(jì)方案線圈發(fā)熱情況嚴(yán)重，為此采用單獨(dú)圓筒永磁體作為偏置磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)方案。

圖6 不同偏置磁場(chǎng)設(shè)計(jì)方案與分析結(jié)果

根據(jù)所需的磁場(chǎng)大小，選取內(nèi)徑為32mm、外徑為40mm的N50銣鐵硼永磁鐵為偏置永磁鐵，其矯頑力大小為955kA／m，在超磁致伸縮棒上可產(chǎn)生10 000A／m偏置磁場(chǎng)，滿(mǎn)足使用要求。

4 結(jié)論

1）以超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)棒尺寸、偏置驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)大小及交變磁場(chǎng)幅值基本參數(shù)為基礎(chǔ)，完成應(yīng)用高頻驅(qū)動(dòng)的超磁致伸縮致動(dòng)器設(shè)計(jì)。

2）在ANSYS平臺(tái)上建立了用于的高頻驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度模型，完成了GMA靜態(tài)磁場(chǎng)仿真，對(duì)不同激勵(lì)頻率下GMA磁場(chǎng)分布進(jìn)行了討論。

3）對(duì)不同驅(qū)動(dòng)頻率下，徑向方向上磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行均勻度分析。分析結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)頻率越大，驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的徑向均勻性越差。

［1］ 陶孟侖.超磁致伸縮致動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與器件特性研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

［2］ 汪曉元，廖 紅，趙 黎，等.大學(xué)物理學(xué) ［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2008.

［3］ 譚先濤.超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 ［D］.上海：上海交通大學(xué)，2010.

［4］ 趙 巖.超磁致伸縮材料微位移執(zhí)行器空間磁場(chǎng)分布特性的研究 ［D］.大連：大連理工大學(xué)，2004.

［5］ 盧全國(guó).基于GMM的微制動(dòng)研究及應(yīng)用 ［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［6］ 薛風(fēng)先，胡仁喜，康士廷.ANSYS12.0機(jī)械與結(jié)構(gòu)有限元分析——從入門(mén)到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［7］ 江 洪，酈祥林，趙躍生.SolidWorks2010完全自學(xué)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.