稀土超磁致伸縮換能器磁路設(shè)計與仿真

陳 爽，趙錄冬，周 杰，劉 政

（江西理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

1 引言

稀土超磁致伸縮材料（GMM）是一種具備正反逆換效應(yīng)功能的新研發(fā)的材料，可以使用其正效應(yīng)制造換能器，使用其逆效應(yīng)可以制造傳感器[1]。其相比于壓電類執(zhí)行器具有承載大、速度響應(yīng)快、可靠性高、低壓驅(qū)動等特點，在精密定位，主動降噪、減振，流體控制、表面強化加工等領(lǐng)域有非常好的應(yīng)用前景[2-4]。

伴隨科技水平的提高，生產(chǎn)活動對機器操作性能的指標(biāo)逐步提高，而零部件表面加工性能的高低會影響機器操作的性能，由此促進了表面加工工藝的不斷發(fā)展。超聲擠壓強化加工作為一種新型的表面加工工藝與傳統(tǒng)的擠壓強化加工工藝相比具有工作力小，工件表面金屬變形規(guī)則，表面質(zhì)量高等一系列優(yōu)點，因此該表面加工工藝的運用越來越廣泛，而且對超聲波振動驅(qū)動源的性能指標(biāo)也提高[5]。稀土超磁致伸縮換能器作為一種新研發(fā)的驅(qū)動器，具備感應(yīng)速率快、工作頻域廣、抗壓強度大等諸多長處，可以達到超聲擠壓強化加工中對振源的性能指標(biāo)[6]?；诔晹D壓強化加工設(shè)備對振源性能的要求，設(shè)計出了稀土超磁致柔性鉸鏈微位移復(fù)合運放伸縮換器，并在相關(guān)理論的引導(dǎo)下，對稀土超磁致雙向輸出換能器的磁路進行了研發(fā)[7-10]。

2 稀土超磁致?lián)Q能器結(jié)構(gòu)

稀土超磁致伸縮換能器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在殼體左右兩側(cè)周向開有個徑向螺紋通孔，線圈骨架通過固定螺釘固定在殼體內(nèi)部；線圈骨架的左右兩個側(cè)壁上分別設(shè)有一個徑向、含有螺紋的冷卻油孔，同時在左右兩側(cè)壁底部分別開設(shè)有冷卻油分流口和匯合口供冷卻油液流入流出，冷卻油孔上安裝有油管接頭；線圈骨架的中心有隔磁套，同時兩頭的連接處相反方向有兩個唇型密封圈。隔磁套內(nèi)有稀土超磁致伸縮棒，其左右各有一個端面中心開有錐形槽的圓柱型永磁體。兩側(cè)的永磁體分別通過圓錐面與傳力球連接，傳力球通過球面與設(shè)有內(nèi)錐面的傳力桿小端接觸，傳力桿的大端利用杠桿式柔性鉸鏈放大器與預(yù)載彈簧連接，左右兩個杠桿式柔性鉸鏈放大器杠桿前端分別與左右推桿螺紋連接。同時在線圈左右兩端加圓環(huán)導(dǎo)磁體和碟簧，用以調(diào)節(jié)預(yù)緊力的大小。

圖1 稀土超磁致伸縮換能器剖視圖Fig.1 Rare Earth Giant Magnetostrictive Transducer Cross-Sectional View

3 換能器磁路的簡化和仿真

3.1 磁路簡化

稀土超磁致伸縮換能器主要有殼體、端蓋、鉸鏈放大機構(gòu)、碟簧、預(yù)壓彈簧、傳力桿、永磁體、GMM棒、傳力球、推桿、隔磁套、導(dǎo)磁體等組成。在有限元分析時，將換能器的外殼、端蓋、傳力桿等都不給予考慮，同時各零件中所涉及的導(dǎo)槽、開口、液流道等對有限元分析結(jié)構(gòu)影響不大，在有限元分析過程中忽略。

因為稀土超磁致伸縮換能器的構(gòu)造具有軸對稱性，所以該換能器的磁場分析可化為平面進行ANSYS仿真。選取換能器的軸截面作為仿真截面，為進一步簡化磁路模型，減少計算工作量，縮短ANSYS軟件分析求解的時間，到達縮短分析周期的目的，我們?nèi)『喕怕返囊话脒M行有限元分析。

3.2 有限元建模

稀土超磁致?lián)Q能器磁場有限元分析中，首先需要設(shè)定各個部件參數(shù)，正確的參數(shù)設(shè)置對有限元分析結(jié)果的可靠性具有重要意義。設(shè)計中的稀土超磁致?lián)Q能器2D模型，如圖2所示。該模型主要由九大部分組成，分別為傳力桿區(qū)域、永磁體區(qū)域、GMM棒區(qū)域、氣隙區(qū)域、隔磁套區(qū)域、導(dǎo)磁體區(qū)域、線圈區(qū)域、線圈骨架區(qū)域和冷卻液區(qū)域。換能器主要零部件的電磁數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖2 稀土超磁致?lián)Q能器2D模型Fig.2 Rare Earth Giant Magnetoresistive Transducer 2D Model

表1 稀土超磁致?lián)Q能器部件參數(shù)表Tab.1 Rare Earth Giant Magnetoresistive Transducer Component Datasheets

4 磁路有限元分析

稀土超磁致?lián)Q能器的偏置磁場來源于稀土超磁致伸縮棒上下兩端的圓柱形永磁體。采用ANSYS軟件對永磁磁路進行靜磁學(xué)分析，模擬分析獲得稀土超磁致伸縮換能器里面偏置磁場的分布情況。

4.1 磁路優(yōu)化

在ANSYS單元庫中有很多不同的單元類型可供用戶自由選擇，對于本設(shè)計中的2D模型，采用了一種四邊形節(jié)點單元，即plane13單元。網(wǎng)劃分中采用智能精度4的自由網(wǎng)格劃分，永磁體材料選用N30的銣鐵硼，磁化方向為Y軸方向，N極沿Y軸正向，磁路系統(tǒng)界線添加平行磁力線約束。偏置磁場有限元分析圖，如圖3所示。

圖3 偏置磁場有限元分析圖Fig.3 Bias Magnetic Field Finite Element Analysis Diagram

通過對結(jié)構(gòu)模型分析研究可獲得圖3（a）到圖3（d），他們分別為稀土超磁致?lián)Q能器的磁場線、感應(yīng)強度、磁場強度以及磁路系統(tǒng)能量的散布情況。由圖可知，磁場強度、磁力線密度以及能量密度都在換能器的氣隙區(qū)域、GMM棒區(qū)域和磁路系統(tǒng)尖角和拐彎部分較大，這表明偏置磁場在這些區(qū)域磁場能量消耗比較大。在GMM棒區(qū)域內(nèi)所消耗的能量為偏置磁路系統(tǒng)的有效能量損耗，而在其他區(qū)域消耗的磁場能量為無效能量消耗。在偏置磁路的設(shè)計中盡可能地減少無效磁場能量消耗，根據(jù)能量消耗分布區(qū)域，可以通過盡可能地提高零部件加工精度、改善裝配等方式來減少或消除氣隙，在磁路尖角和大角度拐彎處可以通過倒角圓弧進行過渡。

4.2 磁路的開閉對磁路系統(tǒng)磁場分布的影響

磁路系統(tǒng)由稀土超磁致棒、永磁體、傳力桿、導(dǎo)磁體和電磁線圈等組成，該磁路系統(tǒng)的開閉狀態(tài)會直接影響核心部件稀土超磁致棒上磁場的大小和分布均勻性，因此對磁路稀土的開閉磁路進行有限元分析對換能器系統(tǒng)的工作性能穩(wěn)定性具有重要的意義。

通過ANSYS研究分析可得換能器的磁場線分布圖、感應(yīng)強度圖和GMM棒中心軸線電磁感應(yīng)強度密度曲線，如圖4～圖6所示。其中（a）表示開磁路狀態(tài)，（b）表示閉磁路狀態(tài)。圖4可以得出磁路為開路時磁力線在換能器區(qū)域呈現(xiàn)發(fā)散分布，且在換能器的核心部件GMM棒區(qū)域磁感線泄露非常嚴(yán)重；閉磁路時磁感線主要集中由導(dǎo)磁體、傳力桿、永磁體和GMM棒所組成的閉合磁路中，磁路的泄露量迅速降低，同時磁感線在GMM棒的范圍內(nèi)分布均勻且集中。在圖5中不同顏色代表不同磁感應(yīng)強度，可以得出，閉合磁路中GMM棒區(qū)域的電磁感應(yīng)強度遠(yuǎn)大于開磁路時GMM棒區(qū)域的磁感應(yīng)強度，這是由于閉磁路磁感線主要集中在磁路區(qū)域，開磁路磁感線泄露大的緣故。由圖6可知，開閉磁路時GMM棒中心軸向磁感應(yīng)強度密度都呈現(xiàn)先負(fù)向降低，再正向增加，之后保持先對平穩(wěn)變化，再正向減小，最后負(fù)向增加的趨勢。其主要原因是由于稀土超磁致棒直接與銣鐵硼材質(zhì)的永磁鐵接觸，GMM棒兩邊端部磁化強度較大且磁場強度方向與永磁體磁場方向相反，因此GMM棒頭部電磁感應(yīng)強度為負(fù)值。當(dāng)時隨中心軸向節(jié)點離端部距離的增加，節(jié)點區(qū)域受永磁體磁化影響變小，電磁線圈產(chǎn)生的正向磁場的疊加作用下，GMM棒的磁感應(yīng)強度先快速負(fù)方向減小然后再正方向增加。當(dāng)GMM棒內(nèi)節(jié)點區(qū)域與端面距離超過一定值厚，永磁體產(chǎn)生的感應(yīng)磁場強度衰減加劇，到GMM棒中點時到達最小，此過程中GMM棒區(qū)域中的由電磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)強度大小基本不發(fā)生變化。由曲線可以看出閉合磁路相對與開磁路而言，磁感應(yīng)強度在GMM棒大部分區(qū)域分布均勻，波動幅度小，磁感應(yīng)強度大。所以設(shè)計中超磁致伸縮換能器內(nèi)部磁路應(yīng)采用封閉磁路模式。

圖4 開閉磁路磁感線Fig.4 Opened and Closed Magnetic Induction Line

圖5 開閉磁路磁感應(yīng)強度圖Fig.5 Opened and Closed Magnetic Flux Density

圖6 開閉磁路GMM棒中心軸向磁感應(yīng)強度密度Fig.6 Opened and Closed Magnetic Circuit GMM Rod Center Axial Magnetic Flux Density Density

4.3 封閉磁路磁場變化研究分析

稀土超磁致?lián)Q能器在換能器工作過程的能量供應(yīng)源主要是線圈，在ANSYS中分別使用靜磁場分析和渦流分析對超磁致伸縮換能器的線圈提供的磁場和能量進行研究分析。應(yīng)用靜磁場分析模塊，通過對稀土超磁致?lián)Q能器施加不同的電流密度，模擬線圈受交變電流產(chǎn)生的交變磁場。超磁致?lián)Q能器電磁線圈激勵一個周期過程中，換能器磁路結(jié)構(gòu)中感應(yīng)強度的變化圖，如圖7所示。電流密度為-106A/m2、0、106A/m2、-0.5×106A/m2時稀土超磁致?lián)Q能器磁路磁感應(yīng)強度的分布情況，如圖7（a）～圖7（d）所示。在線圈和磁體的相互影響下，GMM棒中感應(yīng)磁場分布比較均勻。

圖7 一個周期中換能器磁路磁感應(yīng)強度云圖Fig.7 A Cycle Transducer Magnetic Circuit Magnetic Flux Density Cloud

圖7（b）顯示，當(dāng)電流密度為0時，即換能器中只有永磁體提供磁場，該過程中永磁體產(chǎn)生一個偏置磁場，會使GMM棒處于較為均勻的固定磁場中，使GMM棒處于預(yù)極化的工作狀態(tài)，同時可以避免“倍頻”現(xiàn)象的產(chǎn)生并使GMM棒工作在線區(qū)，GMM棒在永磁體提供的偏置磁場激勵作用下產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度呈現(xiàn)兩端磁場強度大，中間低的啞鈴狀分布。但是由于退磁場的存在，換能器中電磁線圈提供的驅(qū)動磁場分布呈現(xiàn)中間大，兩頭小的分布特點，對永磁體提供的偏置磁場起到很好的補償作用，因此可以使換能器中的GMM棒中的感應(yīng)場強分布均勻，可認(rèn)為GMM棒倍均勻磁化。圖7（d）顯示出當(dāng)電流密度為-0.5×106A/m2時，GMM棒的電磁感應(yīng)強度幾乎為0，這能夠說明此時換能器的電磁線圈提供的驅(qū)動磁場與永磁體提供的偏置磁場相互疊加相互抵消。如圖7（a）、圖7（c）所示，當(dāng)電磁線圈的電流密度大小發(fā)生改變時，GMM棒中的感應(yīng)電磁強度也相應(yīng)的發(fā)生變化，且為同號改變，即（-0.5×106～106）A/m2和（-0.5×106～106）A/m2區(qū)間內(nèi) GMM棒感應(yīng)場強誰電流密度的增大而增大，方向與電流密度相同。稀土超磁致?lián)Q能器的電磁線圈激勵一個周期內(nèi)換能器磁路的電磁強度的矢量圖，如圖8所示。當(dāng)換能器中電磁線圈所通電流密度大于-0.5×106A/m2后，超磁致棒的磁場場強方向發(fā)生了變化。由于GMM棒的伸縮系數(shù)為磁化強度的偶函數(shù)，只與磁化強度的大小有關(guān)，與磁化場強方向無關(guān)，因此電磁線圈電流密度為-0.5×106A/m2時，GMM棒的長度最短；當(dāng)電磁線圈所通的電流密度不為-0.5×106A/m2時，稀土超磁致棒會伸長，從而產(chǎn)生倍頻現(xiàn)象。比較可得，當(dāng)電磁線圈電流密度在區(qū)間（-0.5×106～-106）A/m2內(nèi)時，GMM棒內(nèi)部感應(yīng)磁場強度啞鈴形狀明顯，即感應(yīng)磁場強度分布不均；當(dāng)線圈通過電流密度在區(qū)間（-0.5×106～106）A/m2內(nèi)時，GMM棒內(nèi)部產(chǎn)生的磁場強度散布較為平均。所以有限元的分析結(jié)果說明，稀土超磁致?lián)Q能器的有效驅(qū)動電流密度范圍大約在（-0.5×106～106）A/m2之間。

圖8 一個周期中換能器磁路磁場強度矢量圖Fig.8 A Cycle Transducer Magnetic Circuit Magnetic Field Strength Vector

5 結(jié)論

（1）在磁路優(yōu)化設(shè)計仿真中，磁場強度、磁力線密度以及能量密度都在稀土超磁致?lián)Q能器的氣隙區(qū)域、GMM棒區(qū)域和磁路系統(tǒng)尖角和拐彎部分較大，這表明偏置磁場在這些區(qū)域磁場能量消耗比較大。因此在偏置磁路的設(shè)計中應(yīng)進可能地減少無效磁場能量消耗，根據(jù)能量消耗分布區(qū)域，可以通過盡可能地提高零部件加工精度、改善裝配等方式來減少或消除氣隙，在磁路尖角和大角度拐彎處可以通過倒角圓弧進行過渡。（2）在磁路開閉對系統(tǒng)磁場分布的影響研究中表明：由于閉磁路磁感線主要集中在磁路區(qū)域，開磁路磁感線泄露大，因此閉合磁路中GMM棒范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強度比在開磁路時GMM棒范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強度大。并且閉合磁路與開磁路相比，電磁感應(yīng)強度在GMM棒的大部分范圍內(nèi)分布更加均勻，波動幅度更小。因此設(shè)計的超磁致伸縮換能器里面的磁路采取為封閉磁路。（3）磁路磁場分析表明：磁路系統(tǒng)中設(shè)置的磁體能夠產(chǎn)生一個偏置磁場，使GMM棒處于較為平均的穩(wěn)定磁場中，處于預(yù)極化的工作狀態(tài)，可以避免“倍頻”現(xiàn)象的產(chǎn)生并使GMM棒工作在線區(qū)。同時，GMM棒在磁體的偏置磁場激勵作用下產(chǎn)生的感應(yīng)強度出現(xiàn)兩頭磁場強度大，中間低的啞鈴狀分布，但是由于退磁場的存在，電磁線圈提供的驅(qū)動磁場分布呈現(xiàn)中間大，兩頭小的分布特點，這對永磁體提供的偏置磁場起到很好的補償作用。

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