超磁致伸縮作動器的磁路優化設計與有限元分析

涂建維，劉兆富，李 召

(武漢理工大學 土木工程與建筑學院，武漢 430070)

1 GMA的結構和工作原理

超磁致伸縮作動器結構如圖1所示。主要包括輸出桿、碟形彈簧、端蓋、導磁側壁、導磁環、導磁體、不導磁外殼和GMM棒等，其驅動部分由激勵線圈和永磁體組成。超磁致伸縮作動器的工作原理為：以激勵線圈產生的磁場作為驅動磁場，在結構上由上下導磁體、空氣間隙、上下導磁環、導磁側壁、永磁體與GMM棒形成閉合磁路[19]。當改變輸入電流時，激勵線圈會產生變化的磁場；由于GMM棒軸向的磁致伸縮效應，GMM棒會隨著磁場的變化而發生伸縮變形，所以作動器會向外界輸出位移和力，從而實現電磁能向機械能的轉換。通過控制輸入電流，可以控制作動器位移和力的輸出。永磁體是為了提供偏置磁場而達到消除倍頻現象的目的，同時使GMA具有較好的線性輸出。蝶形彈簧提供一定的預壓力，使GMM棒能夠充分發揮材料的性能。

通過靜態條件下GMM棒的線性壓磁方程式(1)與式(2)[20]，可得出應變s和磁感應強度B之間的關系，如式(3)所示。

(1)

B=qσ+uσH，

(2)

(3)

1—輸出桿；2—碟形彈簧；3—上端蓋；4—導磁側壁；5—永磁體；6—激勵線圈； 7—線圈骨架；8—下導磁環；9—下導磁體；10—外殼；11—GMM棒； 12—上導磁體；13—上導磁環；14—空氣間隙圖1 超磁致伸縮作動器結構簡圖Fig. 1 Structure diagram of giant magnetostrictive actuator

2 磁路設計

對于螺線管產生的磁場H與磁路總磁通φ之間的關系如式(4)表達所示[21]。

NI=φR，

(4)

圖2 超磁致伸縮作動器磁路模型簡圖Fig. 2 Magnetic circuit model of giant magnetostrictive actuator

式中：N為螺線管線圈的匝數；I為線圈中的電流值；φ為磁通量；R為磁路中的總磁阻。

由圖1可知，可以將作動器簡化，得到磁路模型如圖2所示?！?br>