同軸集成式宏微驅動器的溫升特性及溫控方法*

孫小祥，熊美俊，李志鵬

（安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南232001）

0 引言

稀土超磁致伸縮材料（GMM）具有磁致伸縮系數大、響應速度快、位移精度高的特點[1-2]，在精密制造、傳感器和光刻機等領域有著廣泛的應用[3-4]，是近年來國內外學者逐漸重視的新型功能材料。同軸集成式宏微驅動器的關鍵裝置是由超磁致伸縮材料組成，在磁場的作用下產生微小位移輸出[5-6]。然而，同軸集成式宏微驅動器仍有很多問題亟待解決，發熱情況就是其中重要的問題之一。

內蒙古科技大學薄少軍等[7]用冷卻箱體將線圈骨架整個包裹，與GMM棒隔離開來。冷卻水流經發熱線圈，將熱量帶走實現降溫。湖南科技學院張賢才等[8]設計一種水冷機構和相變材料結合的方式進行降溫，精確控制控制了溫度的變化，保證材料在合適的溫度進行工作。在現存的研究中發現，存在冷卻結構過大，冷卻裝置工作不穩定等問題。

本文針對上述的問題提出了一種強制水冷線圈的方法，來解決通電線圈發熱問題對同軸集成式宏微驅動器的影響。分析溫度對同軸集成式宏微驅動器的不利影響，研究同軸集成式宏微驅動器溫度升高的因素；研究同軸集成式宏微驅動器在有無強制水冷下的溫度情況并進行有限元分析。

1 同軸集成式宏微驅動器的結構與工作原理

同軸集成式宏微驅動器主要由以GMM為核心的微動部分和以永磁體為核心的宏動部分組成。把同軸合成思維引入驅動器的設計中，將宏動與微動的運動中心軸結合在同一軸上，有效避免了宏微驅動器在工作時存在系統測量的誤差，從而影響精度。建模時忽略底座螺紋孔、線圈骨架圓孔及水冷線圈等的影響。選擇宏微驅動器的軸向截面作為分析仿真的平面，結構如圖1所示。

圖1 同軸集成式宏微驅動器結構

同軸式宏微驅動器在靜止時，宏動部分和微動部分均不通電；給宏動線圈通入電流激勵，宏動部分帶著微動部分沿著輸出桿方向運動到一定位置，微動部分和宏動部分兩者在運動過程中相對靜止；宏動部分運動結束后，給微動線圈通入電流激勵，GMM棒在磁場的作用下蠕動，微動部分沿著輸出桿方向運動，實現對初始定位的精度補償。

2 同軸集成式宏微驅動器溫升的數學模型

同軸集成式宏微驅動器熱量的主要來源為線圈，在通電的條件下產生磁場激勵分布，促使GMM棒發生磁致伸縮效應，產生的熱量會通過焦耳熱的形式擴散出去。

在同軸集成式宏微驅動器的微動部分中，微動線圈的總長度為：

式中：ri為線圈的內半徑；r0為線圈的外半徑；N為線圈匝數。

微動線圈的總電阻為：

式中：S為單根線圈的橫截面積；ρ為線圈電阻率。

因為集膚效應對于通電線圈的影響，故微動線圈的電阻為：

式中：f為電流頻率；μ0為線圈的磁導率。微動線圈的損耗為：

式中：Im為電流幅值。

同軸集成式宏微驅動器線圈的發熱功率Q為：

3 同軸集成式宏微驅動器的溫升特性及溫度控制

對于同軸集成式宏微驅動器而言，影響驅動器的重要因素有磁場、應力和溫度，溫度會直接影響材料的性能。同軸集成式宏微驅動器的核心部件為GMM棒所構成的微動部分，當材料的性能產生波動，會使整個驅動器的精度變得不可控制，大大影響了同軸集成式宏微驅動器的高精度。GMM棒的熱膨脹系數較大，導磁塊所用的材料是低碳鋼，其熱膨脹系數較小，當同軸集成式宏微驅動器的溫度升高時，由于膨脹系數存在差異，引起導磁塊和GMM棒之間存在相對伸長量，造成精度的降低。

在交流勵磁中，同軸集成式宏微驅動器由于磁場的作用，GMM棒會沿著軸向變化細微的長度，在這一過程中會導致同軸集成式宏微驅動器產生大量的熱。同軸集成式宏微驅動器中除了微動線圈的熱量外，還存在超磁致伸縮材料在反復的磁化和去磁化過程中產生磁滯損耗，渦流損耗等。而在直流電流下，溫升現象較為單一，通電的微動線圈為唯一的熱源，因此本文基于直流電的情況下研究同軸集成式宏微驅動器的溫升特性。在同軸集成式宏微驅動器中，微動線圈通電時產生大量的熱，不同的固體之間熱量會互相傳遞，從而影響同軸集成式宏微驅動器的溫度變化。

COMSOL軟件中，建立同軸集成式宏微驅動器二維軸對稱模型，物理場選擇固體傳熱模塊，進行溫度場的仿真分析。設定環境溫度為293.15 K，微動線圈通入5 A電流，主要材料導熱系數如表1所示。

表1 同軸集成式宏微驅動器材料導熱性能參數

通電9 min后，同軸集成式宏微驅動器中溫度分布如圖2所示。由圖可知，從微動線圈處熱量擴散的范圍很大，說明同軸集成式宏微驅動器的微動部分熱量產生主要來源是微動線圈。由于隔磁鋼是一種導熱性較高的材料，溫度從發熱線圈向四周大面積擴散，所以會有一部分熱量通過隔磁鋼傳遞輸出桿下端，從而造成了同軸集成式宏微驅動器的GMM棒部分下端的溫度比上端低。在同軸集成式宏微驅動器中，微動線圈的溫度達到了40.9℃，GMM棒的上端平均溫度為40.7℃，下端平均溫度為38.3℃，溫度不均勻性為6.26%。圖中的溫升云圖顯示溫度過高且分布不均勻，這將嚴重影響同軸集成式宏微驅動器的工作性能和精度。

圖2 無水冷條件下溫度分布

圖3 無水冷條件下更換尼龍隔磁筒后的溫度分布

為了改善同軸集成式宏微驅動器的GMM棒上的溫度分布均勻性，將隔磁鋼換成尼龍材料制成的部件，在相同的環境溫度和輸入電流下，工作時長為9 min，得到的溫度分布圖如圖3所示。由圖可知，微動線圈的溫度達到了52.1℃，GMM棒的上端平均溫度為51.2℃，下端平均溫度為50.9℃，溫度不均勻性為1.4%。雖然GMM棒處溫度比隔磁鋼的溫度高，但溫度擴散相較于隔磁鋼有了明顯的改善，尼龍材料有效的將熱量隔離，阻止熱量向同軸集成式宏微驅動器的其他部分擴散，保證了GMM棒上的溫度不均勻性。

為了降低驅動器的溫度，添加了水冷裝置。工作條件不變，工作時間為9 min，得到的溫度分布如圖4所示。由圖可知，同軸集成式宏微驅動器溫度明顯降低，微動線圈的溫度為28.1℃，GMM棒的上端平均溫度為27.7℃，下端平均溫度為27.9℃，溫 度 不 均 勻 性 為0.71%，完全滿足同軸集成式宏微驅動器在正常工作下的條件，保證了驅動器的長時間穩定工作以及工作精度。

圖4 水冷條件下的溫度分布

4 結束語

本文采用COMSOL有限元軟件，通過對同軸集成式宏微驅動器模型的仿真分析，得到以下結論：

（1）在無水冷裝置的情況下，同軸集成式宏微驅動器的溫升較高，溫度擴散范圍大，且GMM棒上溫度均勻性差；

（2）在控制GMM棒上溫度不均勻性時，隔磁鋼和尼龍隔磁筒在GMM棒上的溫度不均勻性分別為6.26%和1.4%，可以看出尼龍制作的隔磁筒性能更優異；

（3）在添加水冷裝置后，同軸集成式宏微驅動器的溫度由最高的51.2℃下降到28.1℃，GMM棒上的溫度不均勻性為0.71%，由此可見，水冷裝置對于同軸集成式宏微驅動器溫度控制有很大的影響。