孫小祥，熊美俊，李志鵬

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(shù)大、響應(yīng)速度快、位移精度高的特點(diǎn)[1-2]，在精密制造、傳感器和光刻機(jī)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3-4]，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐漸重視的新型功能材料。同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵裝置是由超磁致伸縮材料組成，在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生微小位移輸出[5-6]。然而，同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器仍有很多問(wèn)題亟待解決，發(fā)熱情況就是其中重要的問(wèn)題之一。

內(nèi)蒙古科技大學(xué)薄少軍等[7]用冷卻箱體將線圈骨架整個(gè)包裹，與GMM棒隔離開來(lái)。冷卻水流經(jīng)發(fā)熱線圈，將熱量帶走實(shí)現(xiàn)降溫。湖南科技學(xué)院張賢才等[8]設(shè)計(jì)一種水冷機(jī)構(gòu)和相變材料結(jié)合的方式進(jìn)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(jìn)行工作。在現(xiàn)存的研究中發(fā)現(xiàn)，存在冷卻結(jié)構(gòu)過(guò)大，冷卻裝置工作不穩(wěn)定等問(wèn)題。

本文針對(duì)上述的問(wèn)題提出了一種強(qiáng)制水冷線圈的方法，來(lái)解決通電線圈發(fā)熱問(wèn)題對(duì)同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器的影響。分析溫度對(duì)同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器的不利影響，研究同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器溫度升高的因素；研究同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器在有無(wú)強(qiáng)制水冷下的溫度情況并進(jìn)行有限元分析。

1 同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)與工作原理

同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器主要由以GMM為核心的微動(dòng)部分和以永磁體為核心的宏動(dòng)部分組成。把同軸合成思維引入驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)中，將宏動(dòng)與微動(dòng)的運(yùn)動(dòng)中心軸結(jié)合在同一軸上，有效避免了宏微驅(qū)動(dòng)器在工作時(shí)存在系統(tǒng)測(cè)量的誤差，從而影響精度。建模時(shí)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(qū)動(dòng)器的軸向截面作為分析仿真的平面，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

同軸式宏微驅(qū)動(dòng)器在靜止時(shí)，宏動(dòng)部分和微動(dòng)部分均不通電；給宏動(dòng)線圈通入電流激勵(lì)，宏動(dòng)部分帶著微動(dòng)部分沿著輸出桿方向運(yùn)動(dòng)到一定位置，微動(dòng)部分和宏動(dòng)部分兩者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相對(duì)靜止；宏動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，給微動(dòng)線圈通入電流激勵(lì)，GMM棒在磁場(chǎng)的作用下蠕動(dòng)，微動(dòng)部分沿著輸出桿方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)初始定位的精度補(bǔ)償。

2 同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器溫升的數(shù)學(xué)模型

同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器熱量的主要來(lái)源為線圈，在通電的條件下產(chǎn)生磁場(chǎng)激勵(lì)分布，促使GMM棒發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)，產(chǎn)生的熱量會(huì)通過(guò)焦耳熱的形式擴(kuò)散出去。

在同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器的微動(dòng)部分中，微動(dòng)線圈的總長(zhǎng)度為：

式中：ri為線圈的內(nèi)半徑；r0為線圈的外半徑；N為線圈匝數(shù)。

微動(dòng)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?yàn)榧w效應(yīng)對(duì)于通電線圈的影響，故微動(dòng)線圈的電阻為：

式中：f為電流頻率；μ0為線圈的磁導(dǎo)率。微動(dòng)線圈的損耗為：

式中：Im為電流幅值。

同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器線圈的發(fā)熱功率Q為：

3 同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器的溫升特性及溫度控制

對(duì)于同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器而言，影響驅(qū)動(dòng)器的重要因素有磁場(chǎng)、應(yīng)力和溫度，溫度會(huì)直接影響材料的性能。同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器的核心部件為GMM棒所構(gòu)成的微動(dòng)部分，當(dāng)材料的性能產(chǎn)生波動(dòng)，會(huì)使整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的精度變得不可控制，大大影響了同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器的高精度。GMM棒的熱膨脹系數(shù)較大，導(dǎo)磁塊所用的材料是低碳鋼，其熱膨脹系數(shù)較小，當(dāng)同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器的溫度升高時(shí)，由于膨脹系數(shù)存在差異，引起導(dǎo)磁塊和GMM棒之間存在相對(duì)伸長(zhǎng)量，造成精度的降低。

在交流勵(lì)磁中，同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器由于磁場(chǎng)的作用，GMM棒會(huì)沿著軸向變化細(xì)微的長(zhǎng)度，在這一過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生大量的熱。同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器中除了微動(dòng)線圈的熱量外，還存在超磁致伸縮材料在反復(fù)的磁化和去磁化過(guò)程中產(chǎn)生磁滯損耗，渦流損耗等。而在直流電流下，溫升現(xiàn)象較為單一，通電的微動(dòng)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(qū)動(dòng)器的溫升特性。在同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器中，微動(dòng)線圈通電時(shí)產(chǎn)生大量的熱，不同的固體之間熱量會(huì)互相傳遞，從而影響同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器的溫度變化。

COMSOL軟件中，建立同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器二維軸對(duì)稱模型，物理場(chǎng)選擇固體傳熱模塊，進(jìn)行溫度場(chǎng)的仿真分析。設(shè)定環(huán)境溫度為293.15 K，微動(dòng)線圈通入5 A電流，主要材料導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。

表1 同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器材料導(dǎo)熱性能參數(shù)

通電9 min后，同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器中溫度分布如圖2所示。由圖可知，從微動(dòng)線圈處熱量擴(kuò)散的范圍很大，說(shuō)明同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器的微動(dòng)部分熱量產(chǎn)生主要來(lái)源是微動(dòng)線圈。由于隔磁鋼是一種導(dǎo)熱性較高的材料，溫度從發(fā)熱線圈向四周大面積擴(kuò)散，所以會(huì)有一部分熱量通過(guò)隔磁鋼傳遞輸出桿下端，從而造成了同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器的GMM棒部分下端的溫度比上端低。在同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器中，微動(dòng)線圈的溫度達(dá)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(guò)高且分布不均勻，這將嚴(yán)重影響同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器的工作性能和精度。

圖2 無(wú)水冷條件下溫度分布

圖3 無(wú)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(qū)動(dòng)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(huán)境溫度和輸入電流下，工作時(shí)長(zhǎng)為9 min，得到的溫度分布圖如圖3所示。由圖可知，微動(dòng)線圈的溫度達(dá)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(kuò)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(qū)動(dòng)器的其他部分?jǐn)U散，保證了GMM棒上的溫度不均勻性。

為了降低驅(qū)動(dòng)器的溫度，添加了水冷裝置。工作條件不變，工作時(shí)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(qū)動(dòng)器溫度明顯降低，微動(dòng)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(qū)動(dòng)器在正常工作下的條件，保證了驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作以及工作精度。

圖4 水冷條件下的溫度分布

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用COMSOL有限元軟件，通過(guò)對(duì)同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器模型的仿真分析，得到以下結(jié)論：

（1）在無(wú)水冷裝置的情況下，同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器的溫升較高，溫度擴(kuò)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(shí)，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(yōu)異；

（3）在添加水冷裝置后，同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)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(jiàn)，水冷裝置對(duì)于同軸集成式宏微驅(qū)動(dòng)器溫度控制有很大的影響。