楊遠(yuǎn)飛 張?zhí)禧?蔣成保

(北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191)

超磁致伸縮材料(GMM，Giant Magnetostrictive Material)相比于壓電材料、形狀記憶合金、電致伸縮材料等其它智能材料而言，具有響應(yīng)速度快、工作頻帶寬、驅(qū)動電壓低等優(yōu)點(diǎn)，所以利用磁致伸縮材料研制的超磁致伸縮執(zhí)行器(GMA，Giant Magnetostrictive Actuator)在精密加工、精確定位、振動主動控制等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景［1－3］.

GMM的工作原理是在磁場作用下產(chǎn)生伸長或縮短，因此GMA的驅(qū)動磁場設(shè)計(jì)對其性能的發(fā)揮至關(guān)重要.超磁致伸縮執(zhí)行器的磁場包括激勵磁場和偏置磁場兩部分.由于超磁致伸縮材料本身磁導(dǎo)率較低，使GMA的磁路尤其是永磁偏置磁路在應(yīng)用過程中出現(xiàn)漏磁較大，GMM棒中磁場強(qiáng)度分布不均勻等問題，從而限制了GMM執(zhí)行器的廣泛應(yīng)用，因此基于超磁致伸縮材料執(zhí)行器的磁路優(yōu)化成為當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的研究熱點(diǎn).如S.Karunanidhia等采用了圓筒式永磁體提供偏場［4］;A.Lovisolo等設(shè)計(jì)了三分段的永磁偏置磁路［5］;唐志峰［6］、楊斌堂［7］等分別對激勵磁路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，均取得了有益的結(jié)果.

本文在分段補(bǔ)償均勻磁路的研究基礎(chǔ)［8］上，根據(jù)磁場均勻性高和場外漏磁小的設(shè)計(jì)目標(biāo)，分別對GMA的偏置磁場和激勵磁場磁路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種新型內(nèi)置永磁偏置的雙磁體組合補(bǔ)償磁路.

1 超磁致伸縮執(zhí)行器磁路設(shè)計(jì)

圖1為TbDyFe超磁致伸縮材料的典型磁致伸縮曲線.根據(jù)曲線的線性情況，可以分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3個階段.其中，第Ⅰ階段為磁致應(yīng)變起始段，第Ⅲ階段為磁致應(yīng)變飽和段，皆存在較強(qiáng)的非線性，只有在第Ⅱ階段時(shí)磁致應(yīng)變與外加磁場呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系.因此，用于微位移與微振動主動控制應(yīng)用的GMA，一般都設(shè)計(jì)一個偏置磁場，使GMM棒產(chǎn)生一預(yù)應(yīng)變，將執(zhí)行器的初始工作點(diǎn)移到線性度較好區(qū)域的中心點(diǎn)，使執(zhí)行器的位移輸出與輸入電流成近似線性關(guān)系，同時(shí)又消除了GMM在正負(fù)磁場下均隨磁場增大而伸長所導(dǎo)致的倍頻現(xiàn)象［9］，使執(zhí)行器產(chǎn)生伸縮對稱且線性度較好的磁致應(yīng)變輸出，以利于對執(zhí)行器輸出位移的精確控制.

激勵磁場主要提供GMM棒發(fā)揮應(yīng)用中所需大小磁致伸縮性能的外磁場，是執(zhí)行器的控制驅(qū)動磁場.激勵磁場的線性段是在一個范圍內(nèi)，由于偏置磁場的存在，激勵磁場是關(guān)于零點(diǎn)對稱的交變磁場.激勵磁場通常由通電螺線管提供，在螺線管中通入可控的交變電流即可產(chǎn)生相應(yīng)的交變磁場，從而獲得所需的應(yīng)變輸出.

磁致伸縮材料內(nèi)部磁通量分布均勻與否將影響執(zhí)行器的磁致伸縮效果.由前期研究結(jié)果可知，GMM棒中磁場分布越均勻，GMA輸出的磁致應(yīng)變曲線越規(guī)則，否則會出現(xiàn)較多的毛刺諧波［10］.因此，超磁致伸縮執(zhí)行器磁路設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是使超磁致伸縮材料在驅(qū)動時(shí)其內(nèi)部具有盡可能均勻的磁場分布.

由于超磁致伸縮材料的磁導(dǎo)率偏低(μr=3～5)，而材料棒一般尺寸較大，遠(yuǎn)大于普通磁路的狹小工作氣隙，因此漏磁不可避免.較大的漏磁一方面會損失磁能，降低磁能利用率，另一方面在2個以上執(zhí)行器緊密布置的系統(tǒng)中，執(zhí)行器的漏磁場會相互影響，不但會使執(zhí)行器的最終性能偏離設(shè)計(jì)值，甚至可能會影響整個系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性.因此減小場外漏磁是超磁致伸縮執(zhí)行器磁路設(shè)計(jì)的另一個重要目標(biāo).

綜上所述，GMM執(zhí)行器磁路設(shè)計(jì)的原則，即是使超磁致伸縮材料在應(yīng)變方向的磁場分布盡可能均勻，且執(zhí)行器的場外漏磁盡可能小.

1.1 偏置磁路設(shè)計(jì)

常用的偏置磁場可由永久磁鐵和螺線管提供，對于螺線管提供偏置磁場的磁路而言，偏置磁場大小可通過調(diào)節(jié)線圈中的電流而很方便地改變，但由于偏置線圈需要長期通入較大電流，電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)會對超磁致伸縮材料的磁致伸縮性能產(chǎn)生較大影響，而采用永磁體提供偏置磁場則可以避免這個問題.故本文針對永久磁鐵偏置的磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).

在GMA中，磁導(dǎo)率較低的超磁致伸縮棒可看作磁路的工作氣隙.形成閉合磁路是減小漏磁的有效方法，因此采用內(nèi)置式永磁偏置，以便外置磁導(dǎo)率高的軟磁材料以閉合磁回路.首先，在磁致伸縮棒的兩端放置2片柱狀永磁體提供沿磁致伸縮棒長方向的磁場;其次，為降低磁路工作氣隙的磁阻，在棒與永磁體之間加入導(dǎo)磁材料，使更多的磁通導(dǎo)入棒中;進(jìn)而在2塊永磁體的上下端均設(shè)有磁軛，與激勵線圈外的軟磁套筒一起，形成完整的閉合磁路進(jìn)行磁屏蔽，從而有效減小漏磁.

利用ANSYS有限元對磁路進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，由于GMM棒的磁導(dǎo)率較低，當(dāng)在棒兩端加入永磁體后，棒中的偏置磁場強(qiáng)度分布呈現(xiàn)“兩邊高、中間低”的態(tài)勢.因此，為了改善磁場分布的均勻性，在磁場較弱的棒的中間區(qū)域，增設(shè)了一個永磁套筒進(jìn)行補(bǔ)償，其與縱向的柱狀永磁體極性相反，一方面可提高中間部分的磁場強(qiáng)度，同時(shí)抵消棒兩端部分較高的磁場強(qiáng)度，從而使整個棒的偏置磁場的強(qiáng)度分布趨于均勻.總體磁路結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 磁路結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 激勵磁路設(shè)計(jì)

不同長徑比β(β=lc/dc，lc和dc分別為螺線管的軸向長度和外徑)的螺線管內(nèi)部的磁場分布不同［11］，圖3為不同長徑比下螺線管內(nèi)部的磁場分布.可以看出:①長徑比β很小時(shí)，螺線管內(nèi)部的磁場很不均勻，中間偏高，兩端偏低;當(dāng)長徑比β逐漸增大時(shí)，磁場分布逐步變得均勻，中間均勻區(qū)域變大，之后磁場分布隨著長徑比的增大變化不明顯.②從單個螺線管的內(nèi)部磁場的分布曲線上可以看出，處于螺線管兩端的部分漏磁較大，磁場強(qiáng)度降低明顯，所以螺線管內(nèi)部的磁場分布呈現(xiàn)明顯的“中間高、兩邊低”的現(xiàn)象.

圖3 不同長徑比的螺線管內(nèi)部的磁場分布

設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)磁場強(qiáng)度及尺寸要求，選取合適長徑比的螺線管尺寸，使螺線管中間的磁場分布較為均勻.為改善螺線管兩端磁場偏低的現(xiàn)象，獲得沿棒長方向磁場的均勻分布，在棒的兩端加入軟磁材料的同時(shí)，在永磁體的外圍加磁軛及軟磁套筒，使偏置磁路和激勵磁路同時(shí)形成一個整體的閉合磁路，提升激勵磁場兩端磁場強(qiáng)度并減小漏磁.

2 ANSYS有限元仿真計(jì)算

2.1 偏置磁路仿真計(jì)算

由于GMA的軸對稱性，取磁路結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行建模［12］，經(jīng)過ANSYS有限元分析計(jì)算可得磁路中的磁力線分布，如圖4所示.

圖4 偏置磁路的磁力線分布圖

從圖4中可看出TbDyFe棒中磁力線較密，磁能利用率較高.另外由于軟磁的磁軛和套筒的磁屏蔽作用，執(zhí)行器外無明顯的磁力線分布.在指定位置(距離執(zhí)行器7 cm)處，由ANSYS分析計(jì)算的漏磁場強(qiáng)度為16 A/m.

圖5a所示為經(jīng)過ANSYS計(jì)算后棒中的偏置磁場強(qiáng)度分布云圖，可以看出表示棒中心的磁場強(qiáng)度的顏色相同且棒的總體磁場強(qiáng)度也較均勻;圖5b所示為棒中心的偏置磁場強(qiáng)度分布曲線.

圖5 超磁致伸縮棒的偏置磁場分布

為了表征磁場均勻性，定義磁場不均勻度為δ=|(H－H0)/H0|的最大值(H0為磁場分布的平均值)，實(shí)際應(yīng)用中δ一般應(yīng)小于10%.圖5b可見，當(dāng)磁路中只有永磁體1時(shí)，棒總體的磁場強(qiáng)度較低而且磁場均勻性較差，此時(shí)δ=21.3%，當(dāng)加入極性相反的永磁體2時(shí)，棒兩端的磁場強(qiáng)度略有降低，中間部分的磁場強(qiáng)度得到了提高，總的磁場均勻性有了明顯的改善，此時(shí)δ=3.51%.

2.2 激勵磁路仿真計(jì)算

圖6為經(jīng)計(jì)算后磁路中激勵磁場的磁力線分布，可看出由于軟磁的磁軛和套筒的磁屏蔽作用，執(zhí)行器外磁力線很少，由ANSYS計(jì)算結(jié)果可得在場外指定位置(距離執(zhí)行器7 cm)處的漏磁場強(qiáng)度為14.4 A/m.且TbDyFe棒中磁通密度強(qiáng)，表明具有較高的磁能利用率.如圖7所示為超磁致伸縮棒的激勵磁場強(qiáng)度分布曲線，棒中心部分的激勵磁場約為44 000 A/m，在超磁致伸縮材料的應(yīng)變方向上的磁場強(qiáng)度與偏置場相當(dāng);磁場分布不均勻度δ=8.73%，較好地滿足了設(shè)計(jì)要求.

圖6 激勵磁路的磁力線分布圖

圖7 超磁致伸縮棒的激勵磁場分布

3 結(jié)論

本文提出了一種適用于超磁致伸縮材料執(zhí)行器的新型內(nèi)置式永磁偏置閉合磁路，并采用雙磁體補(bǔ)償組合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了磁場分布均勻、漏磁小的設(shè)計(jì)目標(biāo).經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，通過ANSYS模擬計(jì)算，沿磁致伸縮棒長方向偏置磁場不均勻度δ＜5%，激勵磁場不均勻度δ＜10%，執(zhí)行器場外指定位置的漏磁＜80 A/m，符合了實(shí)際應(yīng)用要求，為超磁致伸縮材料執(zhí)行器在各種高科技領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ).

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