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        用于GMA的新型永磁偏置閉合磁路

        2012-06-22 05:44:02楊遠(yuǎn)飛張?zhí)禧?/span>蔣成保
        關(guān)鍵詞:超磁螺線管磁路

        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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