高頻驅(qū)動(dòng)超磁致伸縮致動(dòng)器的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)論文
超磁致伸縮材料（UMM）主要是指以Fe2化合物為基體的合金。作為高效智能材料的典型代表之一，超磁致伸縮材料有著輸出位移大、抗載能力強(qiáng)、磁機(jī)轉(zhuǎn)換效率高以及響應(yīng)速度快等性能優(yōu)勢(shì)，但是國(guó)內(nèi)對(duì)超磁致伸縮致動(dòng)器（UMA）的研究仍然存在以下幾個(gè)方而問題：一是較多地集中在準(zhǔn)靜態(tài)或者低頻域的范圍內(nèi)，對(duì)高頻域內(nèi)的研究較為薄弱；二是設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于超磁致伸縮致動(dòng)器的磁場(chǎng)多以軸線方向上磁場(chǎng)強(qiáng)度為檢驗(yàn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不利于建立精確的三維空間磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)出一款用于高頻的超磁致伸縮致動(dòng)器，在ANSYS平臺(tái)上建立了精確的勵(lì)磁線圈空間磁場(chǎng)模型，對(duì)磁場(chǎng)均勻性，以及交流驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)與靜態(tài)偏置磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真與分析。
1。高頻驅(qū)動(dòng)的超磁致伸縮致動(dòng)器設(shè)計(jì)
高頻域下的UMA與工作于靜態(tài)（準(zhǔn)靜態(tài)）的UMA存在異同。本文參考傳統(tǒng)靜態(tài)超磁致伸縮致動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)考慮了交流電驅(qū)動(dòng)引起的非線性因素，設(shè)計(jì)出高頻驅(qū)動(dòng)下小物理體積、大能量輸出的超磁致伸縮致動(dòng)器。
在合適的偏置磁場(chǎng)下，可使UMM棒工作于伸縮性能良好的線性區(qū)域。此時(shí)，當(dāng)輸入為交變磁場(chǎng)時(shí)，超磁致伸縮棒將會(huì)產(chǎn)生與交變磁場(chǎng)同頻率的交變輸出位移，使得UMM棒體發(fā)生位移振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。偏置磁場(chǎng)下正弦信號(hào)、方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)時(shí)UMM的振動(dòng)輸出原理圖。
與傳統(tǒng)的壓電材料相比，超磁致伸縮材料具有優(yōu)良的磁彈性能，其反應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間極短，可達(dá)6 —10 s，而且其能量密度高達(dá)14—25 m。為此，在高頻率的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)下，將會(huì)產(chǎn)生極快的響應(yīng)與極高的振動(dòng)能量輸出，充分發(fā)揮出超磁致伸縮材料優(yōu)良的材料性能。
2高頻UMA動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)有限元分析
2。 1靜態(tài)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)分析
通過對(duì)激勵(lì)線圈磁場(chǎng)模型的分析，掌握了螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)分布特性，為驅(qū)動(dòng)線圈設(shè)計(jì)尺寸的選擇與優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。而在具體器件應(yīng)用中，磁場(chǎng)的分布情況還與器件結(jié)構(gòu)尺寸、漏磁情況及材料的磁導(dǎo)率有著密切關(guān)系，在超磁致伸縮致動(dòng)器的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)這些因素進(jìn)行綜合考慮。如果采用理論磁場(chǎng)計(jì)算方案對(duì)UMM棒內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，則必須要而對(duì)理論磁場(chǎng)數(shù)學(xué)建模難度過大的難題，可操作性不強(qiáng)。為此，采用基于“場(chǎng)”的有限元方法完成對(duì)超磁致伸縮致動(dòng)器磁場(chǎng)的整體設(shè)計(jì)與分析。UMA的閉合磁路主要由底座、下導(dǎo)磁塊、UMM棒、上導(dǎo)磁塊、輸出軸及殼體組成。
雖然UMM棒體為疊片式結(jié)構(gòu)，但在靜態(tài)電流驅(qū)動(dòng)時(shí)不存在渦流影響，可視UMM棒為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，忽略少量的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)影響，UMA可以看作完全軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在建模過程中采用軸對(duì)稱建模方法，只需建立其軸對(duì)稱截而即可模擬整個(gè)UMA的模型，使計(jì)算量大大降低。對(duì)所建立的.模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載與求解。
從分析結(jié)果可見，驅(qū)動(dòng)線圈所產(chǎn)生的大部分磁力線通過UMM棒，經(jīng)過上導(dǎo)磁塊、輸出軸、外壁底座與下導(dǎo)磁塊形成閉合回路。雖然輸出軸與外壁之間存在少量間隙，但由于空氣磁導(dǎo)率較小，漏磁極少。從磁場(chǎng)強(qiáng)度分布來看，分布在UMM棒上的磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，磁能較多地用于對(duì)UMM棒的驅(qū)動(dòng)，說明所設(shè)計(jì)的UMA磁路合理。
2。 2交流驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)有限元分析與激勵(lì)頻率討論
在交流驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)下，電阻率將會(huì)在UMM棒中產(chǎn)生渦流，而渦流將會(huì)對(duì)UMM棒產(chǎn)生渦流熱效應(yīng)與集膚效應(yīng)影響，渦流熱效應(yīng)通過溫度變化影響超磁致伸縮材料的各項(xiàng)性能，集膚效應(yīng)則會(huì)引起超磁致材料內(nèi)部磁場(chǎng)非線性問題。給出了不同驅(qū)動(dòng)頻率的電流下UMA磁場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況。
從結(jié)果可以看出，在交流電驅(qū)動(dòng)下，UMM棒中磁場(chǎng)分布具有如下特點(diǎn)：1）在交流電流驅(qū)動(dòng)下，沿著UMM棒體徑向方向上，呈現(xiàn)出靠近軸線方向上磁場(chǎng)強(qiáng)度小，遠(yuǎn)離軸線處的磁場(chǎng)強(qiáng)度大的特點(diǎn)；2）隨著驅(qū)動(dòng)頻率逐漸增大，分布在UMM棒體上的磁場(chǎng)強(qiáng)度整體逐漸減小。在越靠近軸線處，磁場(chǎng)強(qiáng)度降低幅度更大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率達(dá)到600 H2時(shí)，軸線處磁場(chǎng)強(qiáng)度減小到零，而遠(yuǎn)離軸線靠近棒體外徑處，磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量很小。
UMM棒體內(nèi)磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，證明了交流驅(qū)動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)分布集膚效應(yīng)導(dǎo)致UMM棒中各部分伸長(zhǎng)不均勻，使得UMM棒外表伸長(zhǎng)量大于內(nèi)部伸長(zhǎng)量，進(jìn)而引起UMM棒芯部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而影響UMM使用壽命與材料性能。為了充分發(fā)揮超磁致伸縮材料的性能優(yōu)勢(shì)，將UMM棒體沿軸向切割為多層疊片，使用絕緣的環(huán)氧樹脂對(duì)各疊片進(jìn)行粘貼，達(dá)到抑制渦流效應(yīng)的作用。
3偏置磁場(chǎng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化
在實(shí)現(xiàn)偏置磁場(chǎng)的仿真過程中，采用圓筒永磁鐵、圓柱永磁鐵及偏置線圈組合作用或單個(gè)作用的多種不同設(shè)計(jì)方案。UMA結(jié)構(gòu)優(yōu)劣評(píng)判及最優(yōu)偏置磁場(chǎng)設(shè)計(jì)方案見表
4結(jié)論
1）以超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)棒尺寸、偏置驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)大小及交變磁場(chǎng)幅值基本參數(shù)為基礎(chǔ)，完成應(yīng)用高頻驅(qū)動(dòng)的超磁致伸縮致動(dòng)器設(shè)計(jì)。
2）在ANSYS平臺(tái)上建立了用于的高頻驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度模型，完成了UMA靜態(tài)磁場(chǎng)仿真，對(duì)不同激勵(lì)頻率下UMA磁場(chǎng)分布進(jìn)行了討論。
3）對(duì)不同驅(qū)動(dòng)頻率下，徑向方向上磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行均勻度分析。分析結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)頻率越大，驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的徑向均勻性越差。
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