芮驥才,謝榮建,王仕越,張 添,董德平

(1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所,上海200083;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京100039)

0 引 言

以磁晶各向異性補(bǔ)償合金TbxDy1-xFe2為代表的超磁致伸縮材料(以下簡稱GMM)在交變磁場中可發(fā)生周期性的應(yīng)變,實現(xiàn)電磁能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)換,GMM在室溫下的飽和應(yīng)變值可高達(dá)1 500～2 000 ppm,同時具有響應(yīng)速度快(μs級別)、能量密度高、輸出力大等特點,因此在微型動作元件以及流體機(jī)械中有著極強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢[1-2]。

磁致伸縮致動器是通過給GMM施加合適的交變磁場使其產(chǎn)生預(yù)期的位移或力的輸出的機(jī)構(gòu),本文介紹的致動器以隔膜泵作為負(fù)載,通過導(dǎo)桿將材料的振動傳遞至金屬隔膜從而實現(xiàn)驅(qū)動,設(shè)計時考慮軛鐵材料的真實物性,對整個致動器進(jìn)行了有限元仿真,比較不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的磁場分布,以形狀因數(shù)作判據(jù)選取最優(yōu)值,從而實現(xiàn)較高的驅(qū)動效率。

1 超磁致伸縮致動器的理論分析

1.1 超磁致伸縮材料工作特性

超磁致材料的工作特性由磁致伸縮方程式(1)、式(2)表示,其應(yīng)變由應(yīng)力場、磁場與溫度場的共同作用引起[3]:

式中:ε為材料的應(yīng)變;s為超磁致伸縮材料的柔順系數(shù);σ為內(nèi)部應(yīng)力;d為磁致伸縮應(yīng)變系數(shù);Hav為平均磁場強(qiáng)度;α為熱膨脹系數(shù);ΔT為材料的平均溫度變化;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;μ為材料的磁導(dǎo)率。

典型的磁致應(yīng)變?nèi)鐖D1所示。偏置壓力與磁場強(qiáng)度對材料的變形量影響很大,合適的偏置壓力會讓材料有更大的應(yīng)變,機(jī)電耦合系數(shù)更高。同時無論磁場方向正負(fù),磁致應(yīng)變均為正值,直接導(dǎo)致材料工作在交變磁場中會產(chǎn)生“倍頻現(xiàn)象”,通常加入偏置磁體或直接由線圈提供偏置磁場使材料工作于線性工作區(qū),從而避免該現(xiàn)象發(fā)生。

圖1 不同壓力偏置下磁致伸縮曲線

1.2 磁致伸縮隔膜泵

隔膜泵屬于容積式泵,通過活塞或者隔膜的往復(fù)運動引起泵腔內(nèi)部容積變化同時配合單向閥門完成流體的吸入與排出。與常規(guī)的旋轉(zhuǎn)動力泵的不同在于,其流量輸出相對比較穩(wěn)定,同時在壓縮比較大的情況下具有較強(qiáng)的自吸能力與抗氣泡能力[4-6]。

圖2 磁致伸縮隔膜泵結(jié)構(gòu)示意圖

本文介紹的磁致伸縮膈膜泵工作于流體傳熱回路,通過泵送低溫流體工質(zhì)通過換熱器來冷卻高溫部件,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。線圈內(nèi)部通交流電產(chǎn)生交變磁場,超磁致材料棒在磁場中產(chǎn)生周期形變,通過導(dǎo)桿推動金屬隔膜往復(fù)運動完成吸入和排出沖程,進(jìn)出口均植入單向閥門確保流動方向一致。泵體設(shè)計頻率為50 Hz,設(shè)計流量為1.8 mL/s,需要超磁致材料提供0.1 mm以上的峰峰值位移輸出,同時導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)在傳遞位移的同時起到減少漏熱的作用。

1.3 致動器磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計

由圖2的結(jié)構(gòu)可以看出,對于提供驅(qū)動磁場的線圈來講,其主要參數(shù)為內(nèi)半徑a1,外半徑a2,以及長度L,設(shè)計思路是在不超過一定的外徑時,存在一個最優(yōu)的參數(shù)搭配使GMM棒材磁場達(dá)到80 kA/m時系統(tǒng)的發(fā)熱量最低。為描述該線圈的效率定義形狀因數(shù)

同時對于均勻密繞的線圈,其銅損:

因此:

式中:Hcoil為線圈軸線中心磁場強(qiáng)度;λ為導(dǎo)線的填充因數(shù),對于圓形截面的密繞導(dǎo)線一般取值π/4;pcoilloses為線圈銅損;ρ為導(dǎo)線電阻率;N為線圈匝數(shù);Icoil為線圈內(nèi)電流。

根據(jù)式(5)可知,在相同的安匝數(shù)NIcoil輸入下,最優(yōu)的線圈應(yīng)該具有最大的磁場強(qiáng)度Hcoil。對于帶軛鐵的致動器,其磁力線分布與在空氣中區(qū)別很大,而且由于材料磁導(dǎo)率的非線性,其中心場強(qiáng)Hcoil并不具有解析解,因此采用有限元軟件MAXWELL對整個致動器進(jìn)行建模,并通過參數(shù)化分析來尋找?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)的最優(yōu)值。

2 有限元分析

致動器的主要組成部分均為軸對稱回轉(zhuǎn)體,考慮到磁致應(yīng)變上限約為總長度1‰,該形變量相對于其余部件尺寸來講非常小,因此將整個致動器視為靜態(tài),求解器設(shè)置為軸對稱穩(wěn)態(tài)問題,采用二維柱坐標(biāo)系建模,超磁致棒材與兩端頂頭以及外圍軛鐵構(gòu)成封閉磁路包圍線圈,磁軛材料均為電工純鐵,牌號為DT4E。系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

超磁致棒材的形狀是固定的,線圈的內(nèi)徑和長度必須不小于棒材,其3個形狀參數(shù)(a1,δ,h)取值與步長見表1,邊界條件設(shè)置為氣球邊界,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的最小長度設(shè)置為0.2 mm,網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 致動器網(wǎng)格劃分

對于每一組參數(shù)均求解出收斂后的磁場分布,圖4為a1,δ分別為8 mm和25 mm時的磁場分布。由圖4可見,僅僅在軛鐵接觸處和拐角邊界,磁感應(yīng)強(qiáng)度的值達(dá)到最大值,接近1 T,低于電工純鐵的飽和磁密度,在磁路外部分B值較小,即軛鐵起到了很好的磁屏蔽作用;同時封閉的軛鐵磁路結(jié)構(gòu)使磁力線聚攏到棒材內(nèi)部,有利于在其中產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場。取棒材中心磁場強(qiáng)度為Hcoil,代入到式(5)中計算當(dāng)前的形狀因數(shù)Gcoil,并且作出云圖,自變量分別為a1,δ,如圖5所示。在一定范圍內(nèi)形狀因數(shù)Gcoil

圖4 a1=8 mm,δ=25 mm時內(nèi)徑磁力線和磁通密度分布

圖5 形狀因數(shù)Gcoil隨a1,δ變化云圖

隨著a1和δ的增大而增大,并且存在最優(yōu)點,但要達(dá)到這個最優(yōu)點,致動器的外徑會非常大,考慮實驗環(huán)境接口以及致動器重量的限制,將線圈外徑限定在50 mm以內(nèi),即在本致動器的設(shè)計中線圈外半徑不可超過25 mm,即有如下關(guān)系式:

該限定區(qū)域在圖5中為直線以下部分,提取原始數(shù)據(jù)得到a1和δ滿足要求的最優(yōu)取值組合:

磁場的均勻性可以通過增加補(bǔ)償線圈或者改變軛鐵的形狀來實現(xiàn)。本文從后者入手,保持磁路封閉情況下,線圈越長,頂頭越長,以線圈比材料棒多出的長度h為變量,單獨進(jìn)行參數(shù)化模擬并得到沿軸線場強(qiáng)分布如圖6所示?？梢?隨著線圈超出棒材部分長度的增大,沿軸線場強(qiáng)的均勻度逐步惡化,不均勻度從3%發(fā)展到90%,磁場的過度不均勻會導(dǎo)致材料的性能變差,降低棒材的輸出力和位移,因此采用h=0時的方案,即線圈長度等于棒材長度100 mm。

圖6 不同線圈長度下沿軸場強(qiáng)分布

3 實驗研究

3.1 超磁致致動器實驗研究

根據(jù)前文所述的致動器參數(shù)如表2所示。實驗測試平臺如圖7所示,考慮棒材需要在合適的壓應(yīng)力偏置下工作,通過預(yù)緊螺釘以及植入稱重傳感器來監(jiān)視棒材受力情況;變頻電壓源可以提供不同幅值的AC+DC電壓;激光位移傳感器來測量輸出頂頭的位移值;整個致動器外圍包裹水冷,將其溫度控制在25℃±2℃之內(nèi)。

表2 致動器參數(shù)

圖7 位移測試系統(tǒng)

在不同預(yù)緊力情況下對致動器輸入不同直流電得到相應(yīng)的變形值結(jié)果如圖8所示。磁致應(yīng)變ΔS隨著電流的增加而增加,磁致伸縮系數(shù)d經(jīng)歷了由大變小的過程,在電流低于4 A時應(yīng)變跟電流呈較強(qiáng)的線性關(guān)系,并且應(yīng)變系數(shù)很大,隨后趨于平緩;電流為8.5 A時達(dá)到最大應(yīng)變1 100 ppm,此時偏置壓力為400～700 N,對應(yīng)壓應(yīng)力為5～9 MPa。

圖8 不同偏置壓力下靜態(tài)磁致應(yīng)變

固定預(yù)緊力5 MPa,線圈通4 A的偏置直流電,在此基礎(chǔ)上疊加50 Hz不同幅值的交流電壓,得到一系列不同的位移振幅,其峰-峰值A(chǔ)p-p隨電壓變化如圖9所示。隨著疊加的交流電壓幅值的增大,輸出位移近似線性增長,當(dāng)電壓超過20 V,輸出位移增長幅度減小;超過25 V后交流電幅值超過直流偏置,導(dǎo)致輸出波形波峰變平現(xiàn)象,這是因為超磁致材料在H=0附近應(yīng)變值非常小,反映在輸出波形上即隨著電流的變化,位移基本不變的情況。

圖9 4 A直流偏置時位移-電壓曲線

保持直流偏置電壓不變,交流電壓固定為25 V,頻率從10 Hz變化至150 Hz得到致動器的位移-頻率響應(yīng)曲線,如圖10所示。致動器可以看成是電阻電感串聯(lián),隨著頻率升高,其總阻抗Z～=R+jωL的幅值|Z～|會增加,導(dǎo)致內(nèi)部電流峰-峰值減小,另一方面,超磁致材料本身具有的“磁滯”現(xiàn)象也會隨著頻率的增高而逐漸使輸出位移變小。

圖10 振幅峰-峰值隨頻率變化曲線

3.2 隔膜泵的實驗研究

將金屬隔膜泵體接到致動器的后端,通過導(dǎo)桿將振動傳遞到隔膜上,配合單向閥片來實現(xiàn)流體工質(zhì)的單向輸運并對泵進(jìn)行性能測試。實驗測試平臺如圖11所示,整個實驗在大氣環(huán)境中進(jìn)行,管路中植入壓力傳感器和體積流量傳感器,通過閥門手動調(diào)節(jié)泵的背壓。

圖11 隔膜泵性能測試平臺示意圖

測試得到一系列的壓頭與流量的輸出關(guān)系曲線,如圖12所示,流動工質(zhì)為乙醇。在11.8 V(DC)和25 V(AC),50Hz的電壓驅(qū)動下,金屬隔膜泵具有最大流量2 mL/s,最大壓頭接近202.650 kPa。在此基礎(chǔ)上固定電壓幅值,改變輸入頻率得到泵的流量-頻率曲線,如圖13所示。其中流量的理論值計算如下:

圖12 壓頭-體積流量曲線

圖13 不同頻率下的理論-實驗流量對比

實際隔膜泵工作頻率為10～100 Hz,遠(yuǎn)小于金屬隔膜的共振基頻(模態(tài)分析結(jié)果為2 950 Hz),因此可以認(rèn)為致動器對隔膜的驅(qū)動為準(zhǔn)靜態(tài)驅(qū)動,隔膜并未發(fā)生共振,單沖程的流量即為隔膜變形的掃

式中:f為驅(qū)動頻率;Am為隔膜面積,直徑為34 mm的圓;Ad為導(dǎo)桿與隔膜接觸面積,直徑12 mm;Ap-p為該頻率下致動器的最大位移輸出,具體數(shù)值如圖9所示。

由圖13可見,流量的實驗值與計算值在實際運行頻率范圍內(nèi)基本吻合,均是在頻率較低時線性上升,到一定程度后基本保持不變。過圓臺體積,因此理論流量估算:

4 結(jié) 語

本文介紹了用于驅(qū)動金屬隔膜泵的超磁致伸縮致動器的磁路設(shè)計以及實驗驗證,主要包括以下內(nèi)容:

基于有限元軟件MAXWELL對致動器磁路進(jìn)行了仿真,通過真實結(jié)構(gòu)的形狀因數(shù)來衡量磁路結(jié)構(gòu)的合理性,從而得到了最優(yōu)的線圈內(nèi)外徑參數(shù)以及合適的長度;

對致動器的靜態(tài)與動態(tài)位移輸出進(jìn)行了測試,結(jié)果為最大磁致應(yīng)變達(dá)到1 100 ppm,最大振動輸出值為 100 μm;

搭載隔膜泵進(jìn)行了性能測試,50 Hz下該泵具有最大2 mL/s的流量輸出,頻率變化下的流量輸出與計算值符合得一致。

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