同軸集成式宏微驅(qū)動器的溫升特性及溫控方法*

孫小祥，熊美俊，李志鵬

（安徽理工大學(xué)機械工程學(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[1-2]，在精密制造、傳感器和光刻機等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3-4]，是近年來國內(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)動器的關(guān)鍵裝置是由超磁致伸縮材料組成，在磁場的作用下產(chǎn)生微小位移輸出[5-6]。然而，同軸集成式宏微驅(qū)動器仍有很多問題亟待解決，發(fā)熱情況就是其中重要的問題之一。

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包裹，與GMM棒隔離開來。冷卻水流經(jīng)發(fā)熱線圈，將熱量帶走實現(xiàn)降溫。湖南科技學(xué)院張賢才等[8]設(shè)計一種水冷機構(gòu)和相變材料結(jié)合的方式進行降溫，精確控制控制了溫度的變化，保證材料在合適的溫度進行工作。在現(xiàn)存的研究中發(fā)現(xiàn)，存在冷卻結(jié)構(gòu)過大，冷卻裝置工作不穩(wěn)定等問題。

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

1 同軸集成式宏微驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)與工作原理

同軸集成式宏微驅(qū)動器主要由以GMM為核心的微動部分和以永磁體為核心的宏動部分組成。把同軸合成思維引入驅(qū)動器的設(shè)計中，將宏動與微動的運動中心軸結(jié)合在同一軸上，有效避免了宏微驅(qū)動器在工作時存在系統(tǒng)測量的誤差，從而影響精度。建模時忽略底座螺紋孔、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)動器結(jié)構(gòu)

同軸式宏微驅(qū)動器在靜止時，宏動部分和微動部分均不通電；給宏動線圈通入電流激勵，宏動部分帶著微動部分沿著輸出桿方向運動到一定位置，微動部分和宏動部分兩者在運動過程中相對靜止；宏動部分運動結(jié)束后，給微動線圈通入電流激勵，GMM棒在磁場的作用下蠕動，微動部分沿著輸出桿方向運動，實現(xiàn)對初始定位的精度補償。

2 同軸集成式宏微驅(qū)動器溫升的數(shù)學(xué)模型

同軸集成式宏微驅(qū)動器熱量的主要來源為線圈，在通電的條件下產(chǎn)生磁場激勵分布，促使GMM棒發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)，產(chǎn)生的熱量會通過焦耳熱的形式擴散出去。

在同軸集成式宏微驅(qū)動器的微動部分中，微動線圈的總長度為：

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。

因為集膚效應(yīng)對于通電線圈的影響，故微動線圈的電阻為：

式中：f為電流頻率；μ0為線圈的磁導(dǎo)率。微動線圈的損耗為：

式中：Im為電流幅值。

同軸集成式宏微驅(qū)動器線圈的發(fā)熱功率Q為：

3 同軸集成式宏微驅(qū)動器的溫升特性及溫度控制

對于同軸集成式宏微驅(qū)動器而言，影響驅(qū)動器的重要因素有磁場、應(yīng)力和溫度，溫度會直接影響材料的性能。同軸集成式宏微驅(qū)動器的核心部件為GMM棒所構(gòu)成的微動部分，當(dāng)材料的性能產(chǎn)生波動，會使整個驅(qū)動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)動器的溫度升高時，由于膨脹系數(shù)存在差異，引起導(dǎo)磁塊和GMM棒之間存在相對伸長量，造成精度的降低。

在交流勵磁中，同軸集成式宏微驅(qū)動器由于磁場的作用，GMM棒會沿著軸向變化細微的長度，在這一過程中會導(dǎo)致同軸集成式宏微驅(qū)動器產(chǎn)生大量的熱。同軸集成式宏微驅(qū)動器中除了微動線圈的熱量外，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)動器的溫升特性。在同軸集成式宏微驅(qū)動器中，微動線圈通電時產(chǎn)生大量的熱，不同的固體之間熱量會互相傳遞，從而影響同軸集成式宏微驅(qū)動器的溫度變化。

COMSOL軟件中，建立同軸集成式宏微驅(qū)動器二維軸對稱模型，物理場選擇固體傳熱模塊，進行溫度場的仿真分析。設(shè)定環(huán)境溫度為293.15 K，微動線圈通入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)動器中溫度分布如圖2所示。由圖可知，從微動線圈處熱量擴散的范圍很大，說明同軸集成式宏微驅(qū)動器的微動部分熱量產(chǎn)生主要來源是微動線圈。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散，所以會有一部分熱量通過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)動器中，微動線圈的溫度達到了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高且分布不均勻，這將嚴重影響同軸集成式宏微驅(qū)動器的工作性能和精度。

圖2 無水冷條件下溫度分布

圖3 無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，工作時長為9 min，得到的溫度分布圖如圖3所示。由圖可知，微動線圈的溫度達到了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)動器的其他部分擴散，保證了GMM棒上的溫度不均勻性。

為了降低驅(qū)動器的溫度，添加了水冷裝置。工作條件不變，工作時間為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)動器溫度明顯降低，微動線圈的溫度為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)動器在正常工作下的條件，保證了驅(qū)動器的長時間穩(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

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

（1）在無水冷裝置的情況下，同軸集成式宏微驅(qū)動器的溫升較高，溫度擴散范圍大，且GMM棒上溫度均勻性差；

（2）在控制GMM棒上溫度不均勻性時，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，水冷裝置對于同軸集成式宏微驅(qū)動器溫度控制有很大的影響。