楊遠飛 張?zhí)禧?蔣成保

(北京航空航天大學 材料科學與工程學院，北京100191)

超磁致伸縮材料(GMM，Giant Magnetostrictive Material)相比于壓電材料、形狀記憶合金、電致伸縮材料等其它智能材料而言，具有響應(yīng)速度快、工作頻帶寬、驅(qū)動電壓低等優(yōu)點，所以利用磁致伸縮材料研制的超磁致伸縮執(zhí)行器(GMA，Giant Magnetostrictive Actuator)在精密加工、精確定位、振動主動控制等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景［1－3］.

GMM的工作原理是在磁場作用下產(chǎn)生伸長或縮短，因此GMA的驅(qū)動磁場設(shè)計對其性能的發(fā)揮至關(guān)重要.超磁致伸縮執(zhí)行器的磁場包括激勵磁場和偏置磁場兩部分.由于超磁致伸縮材料本身磁導率較低，使GMA的磁路尤其是永磁偏置磁路在應(yīng)用過程中出現(xiàn)漏磁較大，GMM棒中磁場強度分布不均勻等問題，從而限制了GMM執(zhí)行器的廣泛應(yīng)用，因此基于超磁致伸縮材料執(zhí)行器的磁路優(yōu)化成為當前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的研究熱點.如S.Karunanidhia等采用了圓筒式永磁體提供偏場［4］;A.Lovisolo等設(shè)計了三分段的永磁偏置磁路［5］;唐志峰［6］、楊斌堂［7］等分別對激勵磁路進行了優(yōu)化設(shè)計，均取得了有益的結(jié)果.

本文在分段補償均勻磁路的研究基礎(chǔ)［8］上，根據(jù)磁場均勻性高和場外漏磁小的設(shè)計目標，分別對GMA的偏置磁場和激勵磁場磁路進行了優(yōu)化設(shè)計，提出一種新型內(nèi)置永磁偏置的雙磁體組合補償磁路.

1 超磁致伸縮執(zhí)行器磁路設(shè)計

圖1為TbDyFe超磁致伸縮材料的典型磁致伸縮曲線.根據(jù)曲線的線性情況，可以分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3個階段.其中，第Ⅰ階段為磁致應(yīng)變起始段，第Ⅲ階段為磁致應(yīng)變飽和段，皆存在較強的非線性，只有在第Ⅱ階段時磁致應(yīng)變與外加磁場呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系.因此，用于微位移與微振動主動控制應(yīng)用的GMA，一般都設(shè)計一個偏置磁場，使GMM棒產(chǎn)生一預(yù)應(yīng)變，將執(zhí)行器的初始工作點移到線性度較好區(qū)域的中心點，使執(zhí)行器的位移輸出與輸入電流成近似線性關(guān)系，同時又消除了GMM在正負磁場下均隨磁場增大而伸長所導致的倍頻現(xiàn)象［9］，使執(zhí)行器產(chǎn)生伸縮對稱且線性度較好的磁致應(yīng)變輸出，以利于對執(zhí)行器輸出位移的精確控制.

激勵磁場主要提供GMM棒發(fā)揮應(yīng)用中所需大小磁致伸縮性能的外磁場，是執(zhí)行器的控制驅(qū)動磁場.激勵磁場的線性段是在一個范圍內(nèi)，由于偏置磁場的存在，激勵磁場是關(guān)于零點對稱的交變磁場.激勵磁場通常由通電螺線管提供，在螺線管中通入可控的交變電流即可產(chǎn)生相應(yīng)的交變磁場，從而獲得所需的應(yīng)變輸出.

磁致伸縮材料內(nèi)部磁通量分布均勻與否將影響執(zhí)行器的磁致伸縮效果.由前期研究結(jié)果可知，GMM棒中磁場分布越均勻，GMA輸出的磁致應(yīng)變曲線越規(guī)則，否則會出現(xiàn)較多的毛刺諧波［10］.因此，超磁致伸縮執(zhí)行器磁路設(shè)計目標之一就是使超磁致伸縮材料在驅(qū)動時其內(nèi)部具有盡可能均勻的磁場分布.

由于超磁致伸縮材料的磁導率偏低(μr=3～5)，而材料棒一般尺寸較大，遠大于普通磁路的狹小工作氣隙，因此漏磁不可避免.較大的漏磁一方面會損失磁能，降低磁能利用率，另一方面在2個以上執(zhí)行器緊密布置的系統(tǒng)中，執(zhí)行器的漏磁場會相互影響，不但會使執(zhí)行器的最終性能偏離設(shè)計值，甚至可能會影響整個系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性.因此減小場外漏磁是超磁致伸縮執(zhí)行器磁路設(shè)計的另一個重要目標.

綜上所述，GMM執(zhí)行器磁路設(shè)計的原則，即是使超磁致伸縮材料在應(yīng)變方向的磁場分布盡可能均勻，且執(zhí)行器的場外漏磁盡可能小.

1.1 偏置磁路設(shè)計

常用的偏置磁場可由永久磁鐵和螺線管提供，對于螺線管提供偏置磁場的磁路而言，偏置磁場大小可通過調(diào)節(jié)線圈中的電流而很方便地改變，但由于偏置線圈需要長期通入較大電流，電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)會對超磁致伸縮材料的磁致伸縮性能產(chǎn)生較大影響，而采用永磁體提供偏置磁場則可以避免這個問題.故本文針對永久磁鐵偏置的磁路結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計.

在GMA中，磁導率較低的超磁致伸縮棒可看作磁路的工作氣隙.形成閉合磁路是減小漏磁的有效方法，因此采用內(nèi)置式永磁偏置，以便外置磁導率高的軟磁材料以閉合磁回路.首先，在磁致伸縮棒的兩端放置2片柱狀永磁體提供沿磁致伸縮棒長方向的磁場;其次，為降低磁路工作氣隙的磁阻，在棒與永磁體之間加入導磁材料，使更多的磁通導入棒中;進而在2塊永磁體的上下端均設(shè)有磁軛，與激勵線圈外的軟磁套筒一起，形成完整的閉合磁路進行磁屏蔽，從而有效減小漏磁.

利用ANSYS有限元對磁路進行分析發(fā)現(xiàn)，由于GMM棒的磁導率較低，當在棒兩端加入永磁體后，棒中的偏置磁場強度分布呈現(xiàn)“兩邊高、中間低”的態(tài)勢.因此，為了改善磁場分布的均勻性，在磁場較弱的棒的中間區(qū)域，增設(shè)了一個永磁套筒進行補償，其與縱向的柱狀永磁體極性相反，一方面可提高中間部分的磁場強度，同時抵消棒兩端部分較高的磁場強度，從而使整個棒的偏置磁場的強度分布趨于均勻.總體磁路結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 磁路結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 激勵磁路設(shè)計

不同長徑比β(β=lc/dc，lc和dc分別為螺線管的軸向長度和外徑)的螺線管內(nèi)部的磁場分布不同［11］，圖3為不同長徑比下螺線管內(nèi)部的磁場分布.可以看出:①長徑比β很小時，螺線管內(nèi)部的磁場很不均勻，中間偏高，兩端偏低;當長徑比β逐漸增大時，磁場分布逐步變得均勻，中間均勻區(qū)域變大，之后磁場分布隨著長徑比的增大變化不明顯.②從單個螺線管的內(nèi)部磁場的分布曲線上可以看出，處于螺線管兩端的部分漏磁較大，磁場強度降低明顯，所以螺線管內(nèi)部的磁場分布呈現(xiàn)明顯的“中間高、兩邊低”的現(xiàn)象.

圖3 不同長徑比的螺線管內(nèi)部的磁場分布

設(shè)計時，首先根據(jù)磁場強度及尺寸要求，選取合適長徑比的螺線管尺寸，使螺線管中間的磁場分布較為均勻.為改善螺線管兩端磁場偏低的現(xiàn)象，獲得沿棒長方向磁場的均勻分布，在棒的兩端加入軟磁材料的同時，在永磁體的外圍加磁軛及軟磁套筒，使偏置磁路和激勵磁路同時形成一個整體的閉合磁路，提升激勵磁場兩端磁場強度并減小漏磁.

2 ANSYS有限元仿真計算

2.1 偏置磁路仿真計算

由于GMA的軸對稱性，取磁路結(jié)構(gòu)的一半進行建模［12］，經(jīng)過ANSYS有限元分析計算可得磁路中的磁力線分布，如圖4所示.

圖4 偏置磁路的磁力線分布圖

從圖4中可看出TbDyFe棒中磁力線較密，磁能利用率較高.另外由于軟磁的磁軛和套筒的磁屏蔽作用，執(zhí)行器外無明顯的磁力線分布.在指定位置(距離執(zhí)行器7 cm)處，由ANSYS分析計算的漏磁場強度為16 A/m.

圖5a所示為經(jīng)過ANSYS計算后棒中的偏置磁場強度分布云圖，可以看出表示棒中心的磁場強度的顏色相同且棒的總體磁場強度也較均勻;圖5b所示為棒中心的偏置磁場強度分布曲線.

圖5 超磁致伸縮棒的偏置磁場分布

為了表征磁場均勻性，定義磁場不均勻度為δ=|(H－H0)/H0|的最大值(H0為磁場分布的平均值)，實際應(yīng)用中δ一般應(yīng)小于10%.圖5b可見，當磁路中只有永磁體1時，棒總體的磁場強度較低而且磁場均勻性較差，此時δ=21.3%，當加入極性相反的永磁體2時，棒兩端的磁場強度略有降低，中間部分的磁場強度得到了提高，總的磁場均勻性有了明顯的改善，此時δ=3.51%.

2.2 激勵磁路仿真計算

圖6為經(jīng)計算后磁路中激勵磁場的磁力線分布，可看出由于軟磁的磁軛和套筒的磁屏蔽作用，執(zhí)行器外磁力線很少，由ANSYS計算結(jié)果可得在場外指定位置(距離執(zhí)行器7 cm)處的漏磁場強度為14.4 A/m.且TbDyFe棒中磁通密度強，表明具有較高的磁能利用率.如圖7所示為超磁致伸縮棒的激勵磁場強度分布曲線，棒中心部分的激勵磁場約為44 000 A/m，在超磁致伸縮材料的應(yīng)變方向上的磁場強度與偏置場相當;磁場分布不均勻度δ=8.73%，較好地滿足了設(shè)計要求.

圖6 激勵磁路的磁力線分布圖

圖7 超磁致伸縮棒的激勵磁場分布

3 結(jié)論

本文提出了一種適用于超磁致伸縮材料執(zhí)行器的新型內(nèi)置式永磁偏置閉合磁路，并采用雙磁體補償組合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了磁場分布均勻、漏磁小的設(shè)計目標.經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，通過ANSYS模擬計算，沿磁致伸縮棒長方向偏置磁場不均勻度δ＜5%，激勵磁場不均勻度δ＜10%，執(zhí)行器場外指定位置的漏磁＜80 A/m，符合了實際應(yīng)用要求，為超磁致伸縮材料執(zhí)行器在各種高科技領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ).

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