一種GMA高速開(kāi)關(guān)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)仿真分析

甄 亮，方占萍，馬忠孝

（1.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院甘肅省太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肅 酒泉 735000；3.中聯(lián)重科股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

一種GMA高速開(kāi)關(guān)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場(chǎng)仿真分析

甄 亮1，2，方占萍1，2，馬忠孝3

（1.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院甘肅省太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肅 酒泉 735000；3.中聯(lián)重科股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

本文設(shè)計(jì)了高速開(kāi)關(guān)閥用GMA的結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算了GMM棒所需的長(zhǎng)度和直徑，并結(jié)合高速開(kāi)關(guān)閥的工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)了線(xiàn)圈尺寸。通過(guò)Ansoft軟件對(duì)GMA的磁場(chǎng)分布做了詳細(xì)分析，得出采用低磁導(dǎo)率的導(dǎo)磁塊時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)不均勻度最小，且導(dǎo)磁塊與GMM棒相對(duì)磁導(dǎo)率相同或接近時(shí)磁場(chǎng)不均勻度改善可達(dá)到最優(yōu)，氣隙寬度對(duì)GMM棒磁場(chǎng)不均勻度影響較顯著，且當(dāng)氣隙寬度為0.4mm時(shí)磁場(chǎng)不均勻度最小，線(xiàn)圈安匝數(shù)主要影響GMM棒上的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小，對(duì)磁場(chǎng)不均勻度影響甚小。

高速開(kāi)關(guān)閥；磁致伸縮；磁場(chǎng)仿真

磁致伸縮材料作為幾種重要的功能材料之一，因其獨(dú)有的性質(zhì)，其研究和應(yīng)用越來(lái)越多地受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。根據(jù)磁致伸縮材料的特性將其應(yīng)用到高速開(kāi)關(guān)閥上，通過(guò)外加磁場(chǎng)大小來(lái)改變超磁致伸縮棒的伸縮量（一般為幾十微米），從而控制輸出機(jī)構(gòu)的力和位移。為了增大GMA（超磁致伸縮致動(dòng)器，Giant Magnetostrictive Actuator）的輸出位移，往往會(huì)設(shè)計(jì)相應(yīng)的微位移放大機(jī)構(gòu)對(duì)GMA的輸出位移進(jìn)行放大，以達(dá)到工作需要。由于超磁致伸縮材料本身的特點(diǎn)，GMA具有響應(yīng)速度快、輸出力大等優(yōu)點(diǎn)，與其他電機(jī)械轉(zhuǎn)換器相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 高速開(kāi)關(guān)閥的整體結(jié)構(gòu)

由于GMM（超磁致伸材料，Giant Magnetostrictive Material）棒的輸出位移很小，一般所設(shè)計(jì)的GMA都會(huì)采用微位移放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移放大，但這樣會(huì)導(dǎo)致GMA結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且微位移放大機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)明顯，同時(shí)由于GMM棒輸出受磁場(chǎng)分布及溫度影響較大，這些都會(huì)影響到GMM棒的輸出精度?；谝陨峡紤]，如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的GMA不采用微位移放大機(jī)構(gòu)，而是設(shè)計(jì)了一種新型的多通流面閥芯結(jié)構(gòu)來(lái)彌補(bǔ)GMM棒輸出位移不足的問(wèn)題。將GMA應(yīng)用于液壓高速開(kāi)關(guān)閥中采用PWM信號(hào)控制時(shí)，由于激勵(lì)電流采用直流電所以不存在倍頻效應(yīng)，從而略去了解決倍頻效應(yīng)所使用的偏置線(xiàn)圈，減小了GMA體積及偏置線(xiàn)圈發(fā)熱對(duì)GMM棒的影響。

圖1 基于GMA的高速開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 高速開(kāi)關(guān)閥用GMA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為所設(shè)計(jì)的GMA結(jié)構(gòu)圖，主要由線(xiàn)圈、線(xiàn)圈骨架、冷卻腔、調(diào)節(jié)螺釘、GMM棒和頂桿等組成。工作原理是激勵(lì)線(xiàn)圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)使GMM棒軸向伸長(zhǎng)變形，從而使預(yù)壓桿推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，預(yù)壓力調(diào)節(jié)螺紋作用是調(diào)節(jié)加載給GMM棒的預(yù)壓力，使GMM棒獲得更大的磁致伸縮率，調(diào)節(jié)螺釘可對(duì)GMM棒或閥芯位置進(jìn)行微調(diào)。

圖2 高速開(kāi)關(guān)閥用GMA結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 GMM棒設(shè)計(jì)

GMM棒的設(shè)計(jì)主要包括長(zhǎng)度l和直徑d，長(zhǎng)度由GMM棒的工作位移決定，直徑由GMM棒輸出力決定，GMM棒的材料選用Terfenol-D。

本文設(shè)計(jì)的高速開(kāi)關(guān)閥閥芯最大行程為50μm，由式1可得：

則GMM棒的長(zhǎng)度：

式中：λs——GMM棒的飽和磁致伸縮率；

△lmax——GMM棒飽和磁致伸縮量；

l——GMM棒長(zhǎng)度；

△xmax——設(shè)計(jì)的最大工作位移；

ks——設(shè)計(jì)系數(shù)，本文取1.2。

GMM棒在伸長(zhǎng)過(guò)程中由于自身材料的彈性回復(fù)力作用，它的輸出力是逐漸減小的，在零位時(shí)的輸出力最大，當(dāng)達(dá)到飽和磁致伸縮時(shí)輸出力為零。

則GMM棒的輸出力：

當(dāng)GMM棒達(dá)到飽和磁致伸縮時(shí)F=0，則由式（1）、（2）可得：

式中：Fb——GMM棒零伸長(zhǎng)量時(shí)的輸出力；

F0——預(yù)壓力；

k0——GMM棒的彈性回復(fù)系數(shù)；

E——GMM棒的楊氏模量；

x——GMM棒伸長(zhǎng)量；

A——GMM棒橫截面積；

l——GMM棒長(zhǎng)度。

GMA在工作時(shí)，GMM棒的輸出力需要克服預(yù)壓彈簧力、復(fù)位彈簧力、閥芯閥套之間的摩擦力，所以GMM的最小輸出力滿(mǎn)足下式：

式中：F1——預(yù)壓彈簧力；

F2——復(fù)位彈簧力；

FN——閥芯閥套摩擦力，F(xiàn)0=σ0A，F(xiàn)1=k1x，F(xiàn)2= k1x，其中：

σ0——預(yù)壓應(yīng)力；

k1——預(yù)壓彈簧剛度；

k2——復(fù)位彈簧剛度。

同時(shí)，由設(shè)計(jì)要求閥芯在50μm行程下的響應(yīng)時(shí)間需小于2ms，則由式

Fmin還需滿(mǎn)足：

式中：m1——閥芯質(zhì)量；

m2——預(yù)壓桿質(zhì)量；

m3——GMM棒質(zhì)量。

由式（3）、（5）、（6）可得：

所以，GMM棒的最小輸出力和橫截面積取值需滿(mǎn)足式（9）和（10），由設(shè)計(jì)要求閥芯關(guān)閉過(guò)程響應(yīng)時(shí)間小于2ms，由式（7）、（8）可知復(fù)位彈簧力滿(mǎn)足：

帶入?yún)?shù)m1=65g，適當(dāng)放大F2的值以忽略FN影響，F(xiàn)2取值為25N，由以上所述選取GMM棒尺寸為?8×75，在閥芯行程為50μm時(shí)GMM棒的輸出力最小。將各參數(shù)帶入式（9）和（11）進(jìn)行驗(yàn)算，滿(mǎn)足要求，此時(shí)預(yù)壓力為（預(yù)壓應(yīng)力10MPa）502N，50μm伸長(zhǎng)量時(shí)GMM棒的輸出力為268N。根據(jù)GMA形狀體積取預(yù)壓彈簧預(yù)壓縮量為25.1mm，則預(yù)壓彈簧剛度為20N/mm。

2.2 線(xiàn)圈參數(shù)設(shè)計(jì)

線(xiàn)圈尺寸大小會(huì)影響其產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度和自身的功率損耗，功率損耗越大則產(chǎn)生的熱量越多GMM棒溫升變高，所以線(xiàn)圈設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮選取合適的尺寸以產(chǎn)生最大的磁場(chǎng)強(qiáng)度和最小的功率損耗。為了保證GMM棒處于比較均勻的磁場(chǎng)中，線(xiàn)圈的長(zhǎng)度應(yīng)稍大于GMM棒長(zhǎng)度，但是過(guò)大尺寸會(huì)增加整體GMA的結(jié)構(gòu)尺寸，本文線(xiàn)圈長(zhǎng)度取82mm，為GMM棒長(zhǎng)度的1.1倍左右。

多層繞線(xiàn)空心螺線(xiàn)管在中軸線(xiàn)方向任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和線(xiàn)圈功率損耗公式為：

式中：μ——磁導(dǎo)率；

n1——螺線(xiàn)管單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)；

n2——螺線(xiàn)管單位高度上的匝數(shù)；

I——激勵(lì)電流；

x——螺線(xiàn)管中軸線(xiàn)上任一點(diǎn)距離中心的距離；

r1——線(xiàn)圈內(nèi)半徑；

r2——線(xiàn)圈外半徑；

l——線(xiàn)圈長(zhǎng)度；

ρ——線(xiàn)圈電阻率；

H——磁場(chǎng)強(qiáng)度；

c——繞線(xiàn)形狀因子（圓形取4/π，方形取1）；

α=r2/r1，β=l/2r1。

由式（12）可以看到r1越小則磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，由B=μH則磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，但是由于本文在靠近GMM棒處有冷卻腔來(lái)控制GMM棒的溫升，同時(shí)考慮到GMA的整體尺寸，所以限制了r1的取值，本文r1取值20mm。按照功率損耗公式（13）和（14）可知，線(xiàn)圈外徑的確定有個(gè)最優(yōu)值，但是考慮到線(xiàn)圈電阻和電感對(duì)高速開(kāi)關(guān)閥響應(yīng)速度有十分重要的影響，設(shè)計(jì)過(guò)程主要考慮閥的響應(yīng)速度，本文r2取值為32mm。由式12和式B=μH，得到中軸線(xiàn)中

由設(shè)計(jì)要求GMM棒上的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為40kA/m，由式15可得出：NI=3800，取線(xiàn)圈匝數(shù)為1200匝，則激勵(lì)電流大小為3.2A。反復(fù)短期工作制時(shí)線(xiàn)圈中的最大電流密度J=5-12A/mm2，因?yàn)橛兴鋮s裝置，電流密度可適當(dāng)取大，本文電流密度取9A/mm2。則線(xiàn)圈直徑可由下式計(jì)算：

式中：kd——纏繞系數(shù)取1.2；

N——線(xiàn)圈匝數(shù)。

帶入?yún)?shù)計(jì)算得線(xiàn)圈直徑為0.683mm，查漆包線(xiàn)規(guī)格，選線(xiàn)圈直徑0.69mm，此時(shí)裸線(xiàn)直徑為0.64mm，同時(shí)線(xiàn)圈直徑需滿(mǎn)足下式，帶入?yún)?shù)滿(mǎn)足要求。

由線(xiàn)圈電阻和電感計(jì)算公式：

式中：ρT——導(dǎo)線(xiàn)電阻率；

dn——裸線(xiàn)直徑；

μ0——真空磁導(dǎo)率；

N——線(xiàn)圈匝數(shù)；

S——線(xiàn)圈橫截面積。

最后計(jì)算得到線(xiàn)圈的電阻和電感分別為12.13Ω和3.54mH。

3 高速開(kāi)關(guān)閥用GMA磁場(chǎng)仿真分析

本文采用Ansoft Maxwell軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的GMA進(jìn)行磁場(chǎng)仿真分析，由于GMA的結(jié)構(gòu)是軸對(duì)稱(chēng)的，且GMA使用PWM信號(hào)控制，激勵(lì)電流為直流。仿真模型和網(wǎng)格劃分及磁力線(xiàn)分布如圖3、圖4所示，仿真參數(shù)如表1所示。

圖3 GMA磁場(chǎng)仿真模型及網(wǎng)格劃分

圖4 磁力線(xiàn)分布

表1 仿真參數(shù)

3.1 磁塊相對(duì)磁導(dǎo)率大小對(duì)GMM棒磁場(chǎng)分布的影響

圖5a為導(dǎo)磁塊在不同相對(duì)磁導(dǎo)率下（10～100）GMM棒沿中軸方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，同時(shí)有未加導(dǎo)磁塊（即導(dǎo)磁塊相對(duì)磁導(dǎo)率同45#鋼）時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。由未加導(dǎo)磁塊曲線(xiàn)可以看到在GMM棒上磁場(chǎng)強(qiáng)度沿中軸方向的分布是不均勻的，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為59.83803kA/m，最小磁場(chǎng)強(qiáng)度為46.44272kA/ m，差值為28.84%。磁場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)兩頭大中間小的現(xiàn)象，這是由于GMM棒相對(duì)磁導(dǎo)率較低，導(dǎo)磁性能差造成的。

經(jīng)過(guò)綜合比較分析，采用低導(dǎo)磁率的導(dǎo)磁塊進(jìn)行磁場(chǎng)不均勻改善方案最為可行，且認(rèn)為導(dǎo)磁塊相對(duì)磁導(dǎo)率與GMM棒相對(duì)磁導(dǎo)率相同或接近時(shí)磁場(chǎng)不均勻現(xiàn)象的改善可達(dá)到最優(yōu)。本文GMM棒相對(duì)磁導(dǎo)率為10，由圖5a可以看到，導(dǎo)磁塊相對(duì)磁導(dǎo)率為10時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)不均勻性現(xiàn)象最小，此時(shí)最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為46.27559782kA/m，最小磁場(chǎng)強(qiáng)度為44.70121939kA/m，差值為3.52%，可見(jiàn)差值得到極大下降，同時(shí)可以看到GMM棒軸向磁場(chǎng)不均勻范圍也得到大幅下降。同時(shí)，由圖5a可以看到，導(dǎo)磁塊相對(duì)磁導(dǎo)率從10到100變化時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)不均勻度在逐漸變大，磁場(chǎng)不均勻區(qū)域也在逐漸變大。不過(guò)采用低磁導(dǎo)率導(dǎo)磁塊會(huì)降低GMM棒的磁場(chǎng)強(qiáng)度，但是降低幅度較小，在3kA/m以?xún)?nèi)。

圖5 導(dǎo)磁塊相對(duì)磁導(dǎo)率變化對(duì)GMM棒磁場(chǎng)分布的影響

由圖5b可以看到，GMM棒徑向的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布也是不均勻的，但是由于GMM棒工作為軸向，所以徑向磁場(chǎng)不均勻現(xiàn)象對(duì)軸向工作影響很小，主要影響GMM棒體積變形。

圖6為導(dǎo)磁塊相對(duì)磁導(dǎo)率在GMM棒相對(duì)磁導(dǎo)率值附近變化時(shí)GMM棒的軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，表2為相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)和差值。由圖8可以看到導(dǎo)磁塊相對(duì)磁導(dǎo)率小于GMM棒相對(duì)磁導(dǎo)率時(shí)，GMM棒兩端的磁場(chǎng)強(qiáng)度小于中間部分，反之則大于中間部分。由表2可以看到導(dǎo)磁塊的相對(duì)磁導(dǎo)率為10時(shí)GMM棒的磁場(chǎng)不均勻度最小，差值從10到兩側(cè)遞增，這進(jìn)一步驗(yàn)證了上面的結(jié)論，導(dǎo)磁塊相對(duì)磁導(dǎo)率等于或接近GMM棒相對(duì)磁導(dǎo)率時(shí)，GMM棒的磁場(chǎng)不均勻性改善可達(dá)到最優(yōu)；導(dǎo)磁塊相對(duì)磁導(dǎo)率等于GMM棒相對(duì)磁導(dǎo)率時(shí)，GMM棒磁場(chǎng)均勻度最好。這樣，GMM棒的磁場(chǎng)不均勻現(xiàn)象得到了改善。

圖6 導(dǎo)磁塊相對(duì)磁導(dǎo)率在10附近時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)分布

表2 導(dǎo)磁塊不同相對(duì)磁導(dǎo)率時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)不均勻度差值

3.2 氣隙寬度對(duì)GMM棒磁場(chǎng)分布的影響

圖7為氣隙寬度從0到1mm變化時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，可以看到隨著氣隙寬度的增大，GMM棒上的磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增大，但增大幅度較小，基本保持在1kA/m的范圍內(nèi)。同時(shí)，隨著氣隙寬度的變化，GMM棒軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度差值也在變化，由表3可以看到氣隙寬度在0.4mm左右時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度差值最小，為3.40%。在導(dǎo)磁塊磁導(dǎo)率對(duì)GMM棒軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響中，分析了導(dǎo)磁塊相對(duì)磁導(dǎo)率為10時(shí)GMM棒可獲得最小磁場(chǎng)強(qiáng)度差值為3.52%，此時(shí)氣隙寬度為0.5mm。通過(guò)以上分析可以看到，GMM棒軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度差值還可進(jìn)一步降低，也就是氣隙寬度為0.4mm左右時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度差值可達(dá)3.40%。

圖7 氣隙寬度變化對(duì)GMM棒軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響

表3 氣隙寬度變化時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)不均勻度差值

3.3 殼體相對(duì)磁導(dǎo)率變化對(duì)GMM棒磁場(chǎng)分布的影響

圖8為殼體相對(duì)磁導(dǎo)率從1～1500變化過(guò)程的GMM棒軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度分布三維圖及投影圖?？梢钥吹?，當(dāng)殼體相對(duì)磁導(dǎo)率達(dá)到一定值后，再增加相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)GMM棒軸向磁場(chǎng)分布的影響將會(huì)很小，基本保持不變。同時(shí)也可以看到，殼體相對(duì)磁導(dǎo)率從1開(kāi)始上升過(guò)程GMM棒上的磁場(chǎng)分布變化較大。

為了更清晰地看到這個(gè)變化過(guò)程，圖9做出了殼體相對(duì)磁導(dǎo)率在100以?xún)?nèi)變化時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)分布，可以看到殼體相對(duì)磁導(dǎo)率為1時(shí)GMM棒上磁場(chǎng)強(qiáng)度最小，且磁場(chǎng)分布均勻度最差。這主要是因?yàn)闅んw相對(duì)磁導(dǎo)率為1時(shí)，殼體相當(dāng)于空氣（空氣相對(duì)磁導(dǎo)率為1），這樣在GMA上的磁場(chǎng)不能構(gòu)成有效回路，而是從無(wú)窮遠(yuǎn)處構(gòu)成了磁場(chǎng)回路，所以降低了GMM棒上的磁場(chǎng)強(qiáng)度。同時(shí)，隨著殼體相對(duì)磁導(dǎo)率的增大，GMM棒上的磁場(chǎng)強(qiáng)度也在隨著增大，這主要是因?yàn)闅んw相對(duì)磁導(dǎo)率越大則漏磁相對(duì)越小，從而增加了GMM棒磁場(chǎng)強(qiáng)度。由圖9還可以看到，隨著殼體相對(duì)磁導(dǎo)率的增大GMM棒磁場(chǎng)強(qiáng)度的增幅在逐漸減小，結(jié)合圖8可以得出結(jié)論：隨著殼體相對(duì)磁導(dǎo)率的增大，GMM棒上的磁場(chǎng)強(qiáng)度值將隨著增大，殼體相對(duì)磁導(dǎo)率在達(dá)到約100以后（100～1500），其相對(duì)磁導(dǎo)率的變化對(duì)GMM棒上磁場(chǎng)強(qiáng)度值的影響將越來(lái)越小，幾乎可以忽略。

圖8 GMM棒軸向磁場(chǎng)分布三維圖及投影圖

圖9 殼體相對(duì)磁導(dǎo)率變化時(shí)的GMM棒軸向磁場(chǎng)分布

3.4 整體外磁路相對(duì)磁導(dǎo)率變化對(duì)GMM棒磁場(chǎng)分布

整體外磁路部分包括頂桿、殼體、后座、微調(diào)螺塞，它們通過(guò)導(dǎo)磁塊和GMM棒構(gòu)成閉合磁回路。圖10為整體外磁路部分相對(duì)磁導(dǎo)率變化時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)分布，表4為相對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)不均勻度差值表?？梢钥吹?，隨著整體外磁路相對(duì)磁導(dǎo)率的增大，GMM棒上磁場(chǎng)強(qiáng)度值得大小也在隨著增大，這是由于外磁路相對(duì)磁導(dǎo)率高可以減小漏磁所致。從表4.4μ=1500和μ=150的數(shù)據(jù)可以看到，兩者磁場(chǎng)強(qiáng)度值相差較小，但是磁場(chǎng)不均勻度增大了，所以對(duì)GMM棒而言，并不是整體外磁路的相對(duì)磁導(dǎo)率越高越好。綜合表4的差值分布可以得出結(jié)論：隨著整體外磁路相對(duì)磁導(dǎo)率的增大過(guò)程，GMM棒軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度值也隨著增大，而磁場(chǎng)不均勻度差值則呈現(xiàn)先減小后增大的過(guò)程，在這個(gè)變化過(guò)程中有一個(gè)最小差值點(diǎn)，約在μ=150左右，所以外磁路材料的選擇至關(guān)重要，不過(guò)在不同驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)時(shí)這個(gè)值可能會(huì)有變化。

3.5 線(xiàn)圈骨架和冷卻套筒相對(duì)磁導(dǎo)率變化對(duì)GMM棒磁場(chǎng)分布的影響

圖11和圖12分別為線(xiàn)圈骨架和冷卻套筒相對(duì)磁導(dǎo)率變化時(shí)GMM棒的軸向磁場(chǎng)分布圖。從兩個(gè)圖中可以看到，隨著相對(duì)磁導(dǎo)率的增大，GMM棒上的磁場(chǎng)強(qiáng)度值在隨著降低，軸向磁場(chǎng)不均勻度差值在逐漸增大。這是因?yàn)橄鄬?duì)磁導(dǎo)率的變化改變了磁力線(xiàn)的走向，使得磁力線(xiàn)優(yōu)先通過(guò)高磁導(dǎo)率部分，從而導(dǎo)致GMM棒上磁場(chǎng)強(qiáng)度值下降。當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率達(dá)到很大值時(shí)，GMA上的閉合磁路就會(huì)由殼體、后座、線(xiàn)圈骨架或冷卻骨架構(gòu)成，而通過(guò)GMM的磁力線(xiàn)則只是漏磁部分。由圖11和圖12可以看到，當(dāng)μ=1500時(shí)GMM棒上的磁場(chǎng)強(qiáng)度值已經(jīng)很小了。所以，應(yīng)使磁力線(xiàn)優(yōu)先通過(guò)GMM棒從而通過(guò)導(dǎo)磁塊和整體外磁路構(gòu)成閉合磁路，這樣GMM棒上的磁場(chǎng)強(qiáng)度值才是最大的，冷卻套筒和線(xiàn)圈骨骨架的相對(duì)磁導(dǎo)率值取1是最好的。

表4 整體外磁路相對(duì)磁導(dǎo)率變化對(duì)GMM棒軸向磁場(chǎng)不均勻度差值

圖10 整體外磁路相對(duì)磁導(dǎo)率變化時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)分布

圖11 線(xiàn)圈骨架相對(duì)磁導(dǎo)率變化時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)分布

圖12 冷卻套筒相對(duì)磁導(dǎo)率變化時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)分布

3.6 套筒相對(duì)磁導(dǎo)率變化對(duì)GMM棒軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響

圖13為套筒相對(duì)磁導(dǎo)率變化時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)分布，可以看到相對(duì)磁導(dǎo)率的變化對(duì)GMM棒軸向磁場(chǎng)分布的影響主要體現(xiàn)在GMM棒上磁場(chǎng)強(qiáng)度值的大小，對(duì)磁場(chǎng)不均勻度的影響很小。所以，套筒材料的選擇較為自由，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小要求較低時(shí)可選擇相對(duì)磁導(dǎo)率低的材料，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小要求高時(shí)可選擇高磁導(dǎo)率的軟磁材料。

3.7 線(xiàn)圈安匝數(shù)變化時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)分布

圖14和表5顯示了線(xiàn)圈安匝數(shù)變化時(shí)GMM棒的軸向磁場(chǎng)分布及磁場(chǎng)不均勻度差值，可以看到，安匝數(shù)大小對(duì)磁場(chǎng)不均勻度影響較小，主要影響GMM棒上的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小。安匝數(shù)變化時(shí)磁場(chǎng)不均勻度發(fā)生變化是因?yàn)檎w外磁路的相對(duì)磁導(dǎo)率發(fā)生了變化。通過(guò)表5可知，前面分析的各參數(shù)對(duì)GMM棒磁場(chǎng)不均勻度的影響及得出的一些結(jié)論是正確的。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了高速開(kāi)關(guān)閥用GMA的結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算了GMM棒所需的長(zhǎng)度和直徑，并結(jié)合高速開(kāi)關(guān)閥的工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)了線(xiàn)圈尺寸。詳細(xì)分析了各參數(shù)對(duì)GMM棒軸向磁場(chǎng)不均勻度的影響，得出采用低磁導(dǎo)率的導(dǎo)磁塊時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)不均勻度最小，且導(dǎo)磁塊與GMM棒相對(duì)磁導(dǎo)率相同或接近時(shí)磁場(chǎng)不均勻度改善可達(dá)到最優(yōu)；氣隙寬度對(duì)GMM棒磁場(chǎng)不均勻度影響較顯著，且當(dāng)氣隙寬度為0.4mm時(shí)磁場(chǎng)不均勻度最小；整體外磁路相對(duì)磁導(dǎo)率在150左右時(shí)，效果最好；冷卻套筒和線(xiàn)圈骨架的相對(duì)磁導(dǎo)率為1時(shí)GMM棒磁場(chǎng)不均勻度最??；套筒對(duì)GMM棒磁場(chǎng)不均勻?qū)τ绊懞苄。牧线x擇較為自由；線(xiàn)圈安匝數(shù)主要影響GMM棒上的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小，對(duì)磁場(chǎng)不均勻度影響甚小。以上結(jié)論有利于指導(dǎo)在GMA設(shè)計(jì)過(guò)程中各部分材料的選擇。

圖13 套筒相對(duì)磁導(dǎo)率變化時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)分布

圖14 電流變化時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)分布

表5 線(xiàn)圈安匝數(shù)變化時(shí)GMM棒軸向磁場(chǎng)不均勻度差值

[1]鄭加駒，王洪禮，曹淑瑛.基于逆磁致伸縮效應(yīng)的超磁致伸縮磁力控制器件建模[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（5）：51-56.

[2]Yasukazu SATO，Kazuki OKADA.超磁歪アクチュエ一タの省電力驅(qū)動(dòng).日本機(jī)械學(xué)會(huì)論文集，2010（10）：671-681.

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

[4]盧全國(guó).基于GMM的微致動(dòng)研究及應(yīng)用[D].武漢：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)系，2007.

[5]唐志峰.超磁致伸縮執(zhí)行器的基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].杭州：浙江大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化系，2005.

[6]徐周翔，蔡烔烔，曹志彤.基于場(chǎng)路耦合時(shí)步法的超磁致制動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（33）：129-134.

[7]王傳禮，丁 凡.伺服閥用超磁致伸縮轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算[J].兵工學(xué)報(bào)，2007，28（9）：1082-1086.

[8]呂福在，項(xiàng)占琴，戚宗軍，等.稀土超磁致伸縮材料高速?gòu)?qiáng)力電磁閥的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2000，18（2）：199-202.

[9]王傳禮，丁 凡，張凱軍.稀土超磁致伸縮轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)特性仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15（3）：379-381.

Structuredesign and simulationanalysis of magnetic field for GMA high-speed on-off valve

ZHEN Liang1,2，F(xiàn)ANG Zhanping1,2，MA Zhongxiao3
（1.Gansu Provincial Key Laboratory for Solar Power System Engineering, Jiuquan Vocational and Technical College,Jiuquan 735000,Gansu China; 2.Jiuquan New Energy Research Institute,Jiuquan 735000,Gansu China; 3.Zoomlion Heavy Industry Science&Technology Co.,Ltd.,Changsha 410000,Hunan China）

The structure form ofhigh-speed on-off valve with GMA has been introduced in the text.The required length and diameter of GMM rod have been calculated.By combining with the working features of high-speed on-off valve,the coil dimension has been designed.The detailed analysis has been conducted to the magnetic field of GMA by use of Ansoft software.It is concluded that unevenness of axial magnetic field for GMM rod is minimum when the magnetic block has low permeability.The improvement of unevenness is optimum when the relative permeability between the magnetic block and GMM rod is same or close. The width of air gap has obvious influence to the unevenness of GMM rod magnetic field.The unevenness of magnetic field is minimum when the air gap width is 0.4mm.The coil ampere has mainly affected the magnetic field intensity size of GMM rod,while has little influence to the unevennessof magnetic field.

High-speed on-off valve;GMM;Simulation of magnetic field

TK137.5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.027

1672-0121（2016）06-0104-08

2016-09-28；

2016-10-30

甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（1309RTSF043）；甘肅省科技創(chuàng)新平臺(tái)專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（144JTCF256）

甄 亮（1984-），男，碩士，從事電液伺服控制技術(shù)、液壓元件、現(xiàn)代控制策略等研究。E-mail：04130227.zl@163.com