超磁致伸縮致動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)

陽學(xué)進(jìn)，鄧思琪，李濤濤，張爭艷，陶孟侖，陳定方

（武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所，湖北 武漢430063）

磁致伸縮材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電磁能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的材料［1］，具有高能量密度、大耦合系數(shù)與高磁致伸縮量等性能優(yōu)勢。超磁致伸縮致動器（GMA）是在超磁致伸縮材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有響應(yīng)速度快、應(yīng)變大、驅(qū)動電壓低、控制力大的優(yōu)點(diǎn)。GMA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在很大程度上影響其輸出特性，本文詳細(xì)介紹了GMA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，并通過實(shí)驗(yàn)獲得了GMA的靜態(tài)特性曲線。

1 GMA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，GMA主要由底座、殼體、螺母、頂桿、預(yù)壓彈簧、冷卻水管、GMM 棒、永磁體組成，GMM棒、底座、殼體、頂桿、螺母構(gòu)成了一個封閉的磁路空間。

圖1 GMA的基本結(jié)構(gòu)

超磁致伸縮致動器的工作原理基于材料的Joule效應(yīng)。Joule效應(yīng)是指磁性體的長度隨著外加磁場的變化而相應(yīng)變化的現(xiàn)象。因此，外加磁場的設(shè)計(jì)是超磁致伸縮致動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心。

超磁致伸縮致動器的設(shè)計(jì)一般基于以下的考慮：優(yōu)化磁路設(shè)計(jì)、優(yōu)選GMM材料、優(yōu)化線圈尺寸、設(shè)計(jì)合適的偏置磁場、沿著軸線施加與材料軸線嚴(yán)格平行的預(yù)壓力、需要專門的溫控裝置［2－3］。

1.1 基本磁路設(shè)計(jì)

1.1.1 GMM棒選擇 由于所設(shè)計(jì)的致動器應(yīng)用于動態(tài)環(huán)境，因此需要考慮材料在動態(tài)條件下的損耗。文獻(xiàn)［4］通過實(shí)驗(yàn)，對堆疊結(jié)構(gòu)超磁致伸縮棒和整體超磁致伸縮棒的阻抗頻譜曲線進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)在動態(tài)條件下堆疊結(jié)構(gòu)的超磁致伸縮棒損耗更小。本研究即采用堆疊結(jié)構(gòu)超磁致伸縮棒。

1.1.2 驅(qū)動磁場設(shè)計(jì) 驅(qū)動磁場的設(shè)計(jì)主要包括電流密度、激勵電流、導(dǎo)線直徑、單位長度安匝數(shù)、單位高度安匝數(shù)、線圈內(nèi)半徑、線圈厚度、線圈總匝數(shù)、軸向磁場強(qiáng)度等的選擇。驅(qū)動磁場各參數(shù)如下：尺寸大小，8mm×50mm；電流密度，4A／mm2；電流，1A；排繞系數(shù)，1.05；疊繞系數(shù)，1.15；線圈匝數(shù)，390；線徑，0.8mm。

1.2 偏置磁場設(shè)計(jì)

部分磁疇的轉(zhuǎn)動引起磁致伸縮，使得材料的內(nèi)部發(fā)生形變，從而引起材料在磁場方向的伸長。隨著磁場的增加，磁疇最后達(dá)到飽和。此時若是反向磁場，磁疇的轉(zhuǎn)動也沿著磁場的方向發(fā)生反向，同樣導(dǎo)致材料長度的增加。

在致動器中，驅(qū)動磁場由線圈通電產(chǎn)生，施加反向電流與施加正向電流都可產(chǎn)生正的磁致伸縮，發(fā)生機(jī)械運(yùn)動的頻率為輸入電流頻率的2倍，此時會產(chǎn)生倍頻現(xiàn)象。

為了避免倍頻現(xiàn)象，需要添加偏置磁場，其大小為磁化曲線線性段一半處所對應(yīng)的值。在偏置磁場的作用下，超磁致伸縮棒產(chǎn)生一個初始伸長。當(dāng)施加一個正向交流電流時，產(chǎn)生的磁場使磁致伸縮棒伸長。在交流電流的負(fù)半周，施加磁場與偏置磁場相互抵消，磁致伸縮棒的位移從中心位置逐漸減小。采用偏置磁場在交流激磁的條件下可得到與電流頻率相同，以位置Δ為中心的機(jī)械振動。

在本設(shè)計(jì)中，利用永磁體提供偏置磁場，永磁體的矯頑力為895 000A／m。

1.3 預(yù)壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在棒材軸向施加預(yù)壓力，一方面可顯著提高材料在低磁場下的磁致伸縮，另一方面避免超磁致伸縮材料在工作時承受拉應(yīng)力的作用［5］。在所設(shè)計(jì)的超磁致伸縮致動器中，為能夠較好地提高超磁致伸縮棒的性能，選取的預(yù)壓力大小為4MPa。預(yù)壓結(jié)構(gòu)實(shí)物組成見圖2。

圖2 預(yù)壓機(jī)構(gòu)組成

1.4 水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

致動器驅(qū)動線圈通電會產(chǎn)生大量的熱，而溫度上升會導(dǎo)致超磁致伸縮棒發(fā)生熱膨脹以及磁致伸縮系數(shù)不穩(wěn)定［6］，因此必須設(shè)計(jì)水冷結(jié)構(gòu)來控制致動器的發(fā)熱。目前采用比較多的冷卻方式分為水冷腔和銅水管。本設(shè)計(jì)采用銅水管纏繞的方式進(jìn)行冷卻。本研究所設(shè)計(jì)的超磁致伸縮致動器的加工實(shí)物見圖3。

圖3 GMA的加工實(shí)物圖

2 超磁致伸縮致動器靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)

GMA靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究的目的在于分析不同工作條件對GMA輸出特性的影響，為GMA動態(tài)實(shí)驗(yàn)研究工況選擇提供依據(jù)。本研究主要分析預(yù)壓力及驅(qū)動磁場的變化對GMA輸出特性的影響。

2.1 預(yù)壓力對GMA輸出的影響

在預(yù)壓力實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)所設(shè)計(jì)的銷螺母高度來改變彈簧的伸縮量，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)不同預(yù)壓力下實(shí)驗(yàn)的目的。選擇預(yù)壓力分別為1.38MPa、2.76 MPa、4.14MPa和5.53MPa的工作條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到GMA的輸出位移曲線（圖4）。

圖4 不同預(yù)壓力下GMA位移輸出曲線

由圖4可得：1）在不同預(yù)壓力作用下，輸出位移與驅(qū)動磁場形成良好的滯回環(huán)形狀，驗(yàn)證了超磁致伸縮材料磁滯特性的存在；2）當(dāng)預(yù)壓力在1.38～4.14MPa范圍內(nèi)時，GMA最大輸出位移隨著預(yù)壓力增大而呈現(xiàn)遞增狀態(tài)，當(dāng)預(yù)壓力增大到5.53MPa時，GMA最大輸出位移驟然降低，且低于預(yù)壓力為1.38MPa時的輸出量。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，預(yù)壓力在4.14MPa以內(nèi)，GMA最大輸出位移隨著預(yù)壓力增大而增大；當(dāng)預(yù)壓力超過4.14MPa后，GMA最大輸出位移隨著預(yù)壓力增大反而減小。因此GMA的最佳預(yù)壓力大小為4.14MPa。

2.2 驅(qū)動磁場對GMA輸出影響

GMA的輸出受到預(yù)壓力與驅(qū)動磁場大小的共同影響，綜合預(yù)壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果與磁場驅(qū)動范圍影響結(jié)果，才能最終確定GMA的最優(yōu)工作狀態(tài)。在相同的預(yù)壓力、不同的驅(qū)動磁場作用下，GMA的輸出曲線見圖5。

圖5 不同驅(qū)動磁場下GMA位移輸出曲線

從圖中曲線可以看出，在同一預(yù)壓力下，隨著驅(qū)動磁場強(qiáng)度增大，GMA輸出位移不斷增大，說明局部范圍內(nèi)磁場強(qiáng)度增加，利于發(fā)揮GMA輸出特性。另一方面，隨著磁場強(qiáng)度增大，磁滯回線的滯環(huán)面積增大，說明超磁致伸縮材料位移增大的背后隱含著更多的磁滯能量損耗，因此驅(qū)動磁場的選取要在合理的區(qū)域。

3 結(jié)語

本文重點(diǎn)闡述了超磁致伸縮致動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并加工出致動器實(shí)物。同時通過實(shí)驗(yàn)測得了不同預(yù)壓力、不同驅(qū)動磁場強(qiáng)度條件下GMA的輸出位移曲線，并得到了相應(yīng)的結(jié)論，為GMA的設(shè)計(jì)及工作情況優(yōu)選提供了理論支持與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

［1］ 姜德生.智能材料 器件 結(jié)構(gòu)域應(yīng)用［M］.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［2］ 鄔義杰，劉楚輝.超磁致伸縮驅(qū)動器設(shè)計(jì)方法的研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2004，38（06）：747－750.

［3］ 賈振元，楊 興，郭東明.超磁致伸縮材料微位移執(zhí)行器的設(shè)計(jì)理論及方法［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2001，37（11）：46－49.

［4］ 陶孟侖，陳定方，盧全國，等.超磁致伸縮材料動態(tài)渦流損耗模型及實(shí)驗(yàn)分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2012，48（13）：146－151.

［5］ 王博文.超磁致伸縮材料制備與器件設(shè)計(jì)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

［6］ 盧全國，陳定方，鐘毓寧.超磁致伸縮致動器熱變形影響及溫控研究［J］.中國機(jī)械工程，2007，18（01）：16－19.