陳天沛,余 震,李勇智,陳定方

(1武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所,湖北 武漢 430063;2武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院,湖北 武漢 430081)

超磁致伸縮材料(GMM)是一種新型高效的磁能—機械能轉(zhuǎn)換材料[1],利用超磁致伸縮材料在磁場變化時發(fā)生伸縮形變而制作的超磁致伸縮致動器,具有輸出力大、位移分辨率高、響應(yīng)快等諸多優(yōu)點[2],已在精密加工、超精密加工領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景.然而超磁致伸縮驅(qū)動器在工作時,驅(qū)動線圈的發(fā)熱、超磁致伸縮棒的磁致?lián)p耗等均可導(dǎo)致超磁致伸縮棒溫度升高,而溫度對超磁致伸縮材料的伸縮特性影響很大[3].因此,設(shè)計制作超磁致伸縮驅(qū)動器(Giant Magnetostrictive Actuator,GMA)時,必須考慮溫升對驅(qū)動器輸出精度的影響.本文在分析GMA發(fā)熱源及溫升對GMA輸出精度的不利影響基礎(chǔ)上,針對長時間工作條件下的某微進給平臺中的GMA,分別在無水冷以及強制水冷兩種條件下進行有限元瞬態(tài)熱分析.根據(jù)有限元分析結(jié)果,進一步指導(dǎo)GMA參數(shù)設(shè)計.

1 溫升對超磁致伸縮致動器的影響

1.1 超磁致致動器工作原理及熱源

超磁致致動器的結(jié)構(gòu)如圖1所示.其工作原理為:當(dāng)電磁線圈3內(nèi)通入適當(dāng)大小的電流時,將產(chǎn)生一個驅(qū)動磁場;在驅(qū)動磁場作用下,GMM棒6發(fā)生形變,推動輸出軸7運動,產(chǎn)生輸出位移和輸出力,將電磁能轉(zhuǎn)化為機械能.

超磁致致動器的發(fā)熱源主要有電磁線圈通電后發(fā)熱、渦流與動態(tài)工作中的磁滯效應(yīng)等[4].

圖1 磁致伸縮微致動器結(jié)構(gòu)

1.2 溫升對超磁致伸縮致動器的影響

超磁致伸縮致動器的核心部件GMM棒發(fā)熱后會對其輸出精度產(chǎn)生影響,主要表現(xiàn)為以下幾個方面.

1)溫升引起GMA各部件的熱膨脹.線圈發(fā)熱導(dǎo)致的溫升將導(dǎo)致GMA系統(tǒng)內(nèi)各部件尤其是GMM 棒的熱變形.其熱變形量

2)導(dǎo)致磁致伸縮系數(shù)不穩(wěn)定.超磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)對溫度很敏感.圖2為在13.8 MPa預(yù)壓力下溫度對超磁致材料磁致伸縮率λ的影響[5].

由圖2可知:溫度在40℃以下時,磁致伸縮率λ隨溫度上升而迅速增大;溫度在40℃～50℃之間,磁致伸縮率λ較為穩(wěn)定;溫度超過50℃時,磁致伸縮率λ隨溫度上升而緩慢減小.以圖中磁場強度為2000 Oe為例,溫度在 20℃和30℃時,其磁致伸縮率λ分別為1.1×10-3和1.3×10-3,由此導(dǎo)致相同磁場激勵下GMA輸出差異達20%.

3)引起殼體及其它部件熱膨脹.電磁線圈工作產(chǎn)生的熱量,不僅影響GMM棒,也會由棒表面及兩個端面?zhèn)飨蛳嘟佑|的零件,導(dǎo)致殼體、輸出軸及底座的熱變形.

圖2 溫度對磁致伸縮系數(shù)的影響

2 基于ABAQUS超磁致致動器瞬態(tài)熱分析

2.1 有限元建模及單元選取

一個完整的ABAQUS有限元分析過程包括以下三個基本步驟:前處理、分析計算及后處理.

要在ABAQUS軟件環(huán)境下進行有限元分析,首先需要建立致動器的有限元模型.其過程主要包括:三維模型的建立、材料屬性的賦予、零部件的裝配以及網(wǎng)格劃分.圖3為在ABAQUS環(huán)境下本平臺超磁致致動器的有限元模型.

圖3 超磁致致動器的有限元模型

根據(jù)單元的軸對稱性質(zhì),選取八結(jié)點線性傳熱六面體單元(DC3D8).該單元有8個節(jié)點,每個節(jié)點僅包含一個自由度,即溫度.

2.2 熱載荷及邊界條件

熱載荷是指熱源單位體積的發(fā)熱量,超磁致伸縮致動器所承受的熱載荷主要為線圈的熱載荷,計算公式為:

式中:Q為線圈的發(fā)熱量,W;V為線圈的體積,m3.

對于線圈來說,發(fā)熱量可以按照電阻發(fā)熱的公式計算:式中:I為線圈中通入的電流,A;R為整個線圈的電阻,Ψ.

測得線圈電阻為 8.3 Ψ,通過電流為 1.8 A,計算得發(fā)熱功率為26.892 W.根據(jù)式(2)計算得單位體積發(fā)熱功率即熱載荷約為95.58 kW/m3.

在分析時,熱載荷q是以體載荷形式加載在線圈的模型上.由于主要的換熱方式是超磁致伸縮致動器內(nèi)部冷卻水流動通過致動器時對流換熱帶走熱量,同時致動器外部空氣對流換熱也會帶走少部分熱量,所以邊界條件主要是考慮第三類邊界條件,即空氣與結(jié)構(gòu)表面的自然對流換熱以及恒溫水與零部件之間的強制對流換熱.此外,致動器的其他邊界條件為:致動器初始溫度為20°C,空氣溫度為室溫 20°C,冷卻水的溫度設(shè)為恒溫 19°C.

3 有限元分析結(jié)果及討論

3.1 超磁致伸縮致動器無水冷的瞬態(tài)分析

當(dāng)強制水冷裝置不工作時,可以視為冷卻水腔為空氣的自然對流,在軟件的Interaction模塊中將Surface film condition中的Film Coefficient設(shè)為12.5.圖4為利用ABAQUS進行有限元分析,得出的致動器工作0.5 h后整機的溫度分布云圖.

圖4 無水冷時GMA溫度云圖

3.2 超磁致伸縮致動器強制水冷的瞬態(tài)分析

當(dāng)強制水冷裝置工作時,水冷腔內(nèi)通入循環(huán)的恒溫冷卻水,腔內(nèi)對流邊界條件發(fā)生改變,在Interaction模塊中將Surface film condition中Film Coefficient更改為400,其余參數(shù)相同.致動器工作0.5 h后,溫度分布云圖見圖5.

圖5 強制水冷時GM A溫度云圖

3.3 總結(jié)及討論

從以上兩組分析可以得出如下結(jié)論,強制恒溫水冷可以有效地降低GMM棒的溫升.兩組GMA各部件的熱分析結(jié)果如表1所示.

表1 兩種工況下分析結(jié)果比較 ℃

在大功率、長時間工作場合,對于無水冷的超磁致伸縮致動器,GMM 棒最大溫升為45.55°C,由式(1)可計算出GMM 棒熱膨脹變形為 27.33 μ m.而所設(shè)計的驅(qū)動器輸出為50 μ m.顯然由GMM 棒溫升導(dǎo)致的熱膨脹將致使GMA輸出精度大幅降低.此外,線圈的發(fā)熱十分嚴重.而在相同工況下,帶水冷裝置的致動器,GMM棒溫升只有4.12°C,GMM棒熱變形為2.47 μ m,其熱膨脹引起的變形降低了一個數(shù)量級,溫控效果比較理想.

4 結(jié)束語

本文對超磁致驅(qū)動器在無水冷及強制水冷兩種工況下進行有限元分析.分析結(jié)果表明,采用強制水冷可以有效地抑制致動器的溫升.在大電流、長時間工作的場合中,超磁致伸縮致動器必須采取強制水冷的方式進行溫控,以保證其輸出精度和工作性能.

[1]Clark A E.Magnetostrictive Rare Earth-Fe2 Compounds[M].Amsterdam:North-Holland,1980.

[2]賈宇輝,譚久彬.基于超磁致伸縮材料的微位移驅(qū)動器特性研究[J].中國機械工程,1999,10(11)1213-1215.

[3]徐 杰,陳張健,鄔義杰.超磁致伸縮驅(qū)動器熱變形補償及溫控方法研究[J].設(shè)計與研究,2005(06):8-10,19.

[4]盧全國,陳定方,鐘毓寧,等.超磁致伸縮致動器熱變形影響及溫控研究[J].中國機械工程,2007,18(1):16-19.

[5]Clark A E,Crowder D N.High Temperature Magnetostriction of TbFe2 and Tb.27 Dy.73 Fe2[J].IEEE Transactions on Magnetics,M AG.21,1985(5):1945-1947.