基于磁控形狀記憶合金的伺服閥驅(qū)動器

涂福泉，毛陽，胡良智，李賀，曾慶斌，劉小雙

(武漢科技大學(xué)冶金裝備與控制教育部重點(diǎn)實驗室，湖北武漢430081)

電液伺服系統(tǒng)朝著高頻大流量方向發(fā)展，以適應(yīng)實際工程技術(shù)領(lǐng)域的需要。傳統(tǒng)以電磁力馬達(dá)或力矩馬達(dá)驅(qū)動的電液伺服閥頻寬一般較低，難以滿足快速精密反應(yīng)伺服系統(tǒng)的需求。為此，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家較早已開始進(jìn)行基于新型功能材料伺服閥驅(qū)動器研究工作，并已開發(fā)出如PZT、PMN、GMM 等新型驅(qū)動器;我國利用新型功能材料開發(fā)高性能伺服閥驅(qū)動器的研究工作起步較晚，目前只有浙江大學(xué)、武漢科技大學(xué)、大連理工大學(xué)等少數(shù)科研院所在進(jìn)行相關(guān)的研究，并取得了一定的研究成果。

磁控形狀記憶合金(MSMA)是一種新型功能材料，其馬氏體相在外部磁場作用下可產(chǎn)生較大的變形，兼具壓電陶瓷與磁致伸縮材料響應(yīng)速度快及溫控形狀記憶合金輸出應(yīng)變大的特點(diǎn)，將其用于伺服閥電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動部分，有望解決目前新型功能材料伺服閥驅(qū)動器存在的輸出位移量偏小的問題，具有良好的應(yīng)用前景。

1 基于MSMA 材料的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計

MSMA 具有在電磁場的激勵下響應(yīng)時間短、單位長度上能產(chǎn)生較大的驅(qū)動位移、單位質(zhì)量內(nèi)能產(chǎn)生較大的機(jī)械功率等其他材料所不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。MSMA材料能夠根據(jù)磁場方向的變化產(chǎn)生多方位的形變，如圖1所示，可以沿著軸向發(fā)生應(yīng)變，沿著周向產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，沿著徑向發(fā)生彎曲變形［1－2］。根據(jù)MSMA 材料的這些不同的變形過程，能夠根據(jù)具體的工程需要制造出各種各樣的驅(qū)動器。

圖1 MSMA 材料的形變形式

但是磁控形狀記憶合金在電磁場中發(fā)生變形后撤出電磁場不能自行恢復(fù)形變，根據(jù)材料的應(yīng)變特性，在需要恢復(fù)變形的方向施加作用力，使材料恢復(fù)形變，如圖2(a)所示，文中通過在材料伸長的方向用彈簧來施加反方向的作用力使材料恢復(fù)形變，如圖2(b)所示。

圖2 MSMA 材料恢復(fù)形變示意圖

使用直流線圈產(chǎn)生偏置磁場和勵磁線圈產(chǎn)生可控磁場的MSMA 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3 左側(cè)先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)如圖4所示，先導(dǎo)閥質(zhì)量0.002 kg。該驅(qū)動器通過調(diào)節(jié)直流電的大小，來獲得理想的偏置磁場。彈簧在MSMA 材料沒有發(fā)生位移的情況下，保持其自然長度。在“口”字形鐵芯一側(cè)開有6 mm 的間隙，放置用于驅(qū)動的材料MSMA，間隙內(nèi)放置5 mm ×5 mm×20 mm 的MSMA 材料，并確保通過驅(qū)動材料的磁場和材料的伸長方向成90°夾角，使材料產(chǎn)生較好的驅(qū)動效果。勵磁繞組產(chǎn)生I 交流電信號，用來控制驅(qū)動部分的運(yùn)動;直流繞組產(chǎn)生I0直流信號，通過調(diào)節(jié)阻值的大小用來產(chǎn)生和調(diào)節(jié)偏置磁場。

圖3 MSMA 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

圖4 閥芯的結(jié)構(gòu)和尺寸

2 MSMA 驅(qū)動器參數(shù)計算以及仿真結(jié)果

外加磁場達(dá)到0.5 T 時，MSMA 材料變形狀態(tài)基本上達(dá)到飽和狀態(tài)［3］，建?；冢?］:(1)MSMA 樣品內(nèi)部的應(yīng)變ε、應(yīng)力σ、磁場強(qiáng)度H 和磁感應(yīng)強(qiáng)度B 均勻;(2)忽略漏磁通、渦流對激勵電流的抑制作用;(3)整個運(yùn)動過程中MSMA 一端位移為零，另一端始終與負(fù)載有相同的位移、速度和加速度。

在驅(qū)動器的磁路中，繞組線圈的繞制圈數(shù)N，用于產(chǎn)生激勵磁場的電流強(qiáng)度I，通過MSMA 材料磁場強(qiáng)度H，間隙大小g，磁感應(yīng)強(qiáng)度B 存在以下關(guān)系:

空氣中的導(dǎo)磁率μ0≈4π×10－7H/m，μ 為MSMA材料相對于客氣的磁導(dǎo)率μ≈1.5。選取外加激勵磁場強(qiáng)度為0.3 T，選取0.2 T 作為偏置磁場。激勵電流為I=1 A，產(chǎn)生偏置磁場的直流電流為I0=2 A。聯(lián)立式(1)—(2)，求得H=2.6 ×105T，繞組N=520 匝。

根據(jù)AdaptaMat 公司提供的測試數(shù)據(jù)，近似求得壓磁系數(shù)q =1.990 8 ×10－7，彈性模量Ceff=1.91 ×109Pa。建立材料的靜力學(xué)模型，如下建立了應(yīng)變ε，磁場參數(shù)B、H，外應(yīng)力σ，壓磁系數(shù)q 以及在磁場中材料彈性模量Ceff之間的關(guān)系［5－6］:

再聯(lián)立材料長度和應(yīng)變的關(guān)系為:ε =x/l，電磁定律:Φ=BA，磁路定律:NI=φR，得出:

代入數(shù)值計算得，Ki=126.7 N/A，Kx=2.5 ×105N/m。

x1為在勵磁磁場作用下產(chǎn)生的位移增量，x0為直流信號產(chǎn)生的位移量，A 為MSMA 的橫向截面積，R 為總磁阻，驅(qū)動器的輸出力可以表述為:

由式(6)可理論上計算出驅(qū)動力大小為F =126.7 N。驅(qū)動器達(dá)到1.2 mm 的位移。

MSMA 驅(qū)動器的等效力學(xué)模型如圖5所示，設(shè)K1為彈簧的剛度系數(shù)，C1=Bv+Bf，Bv為黏性摩擦系數(shù)，由內(nèi)摩擦學(xué)原理可知Bv= μπdl/rc;μ 為油液動力黏度，文中取其值為μ =0.022 5 Pa·s，d 為設(shè)計滑閥直徑;l 為閥芯凸肩總長;rc為閥芯與閥套間的間隙，選用rc=3 μm。計算得出先導(dǎo)閥黏性摩擦系數(shù)Bv=1.53。在文中所涉及的滑閥工作過程中，一對閥口同時參加工作，壓力變化為，瞬態(tài)液動力為，在設(shè)計時，先導(dǎo)閥瞬態(tài)液動力阻尼系數(shù)Bf=0.06。等效質(zhì)量即閥芯的質(zhì)量m1=0.002 kg。彈簧對MSMA 的作用可以等效表示為:

圖5 MSMA 驅(qū)動器等效力學(xué)模型

根據(jù)牛頓第二定律，MSMA 的輸出力:

圖6 基于MSMA 驅(qū)動器的位移動態(tài)響應(yīng)圖

3 結(jié)論

仿真結(jié)果表明:基于MSMA 的驅(qū)動器滿足伺服閥的工作要求，證明MSMA 材料有望成為新一代驅(qū)動器的重要材料。但是磁控形狀記憶合金新型功能材料的應(yīng)用研究還處于起步階段，新型MSMA 材料仍面臨溫度、滯后、能量損失等許多問題，需要進(jìn)一步深入研究。

【1】TELLINEN J，SUORSA I，J??SKEL?INEN A，et al.Basic Properties of Magnetic Shape Memory Actuators［C］//Actuator 2002，Bremen Germany，2002.

【2】王社良，代建波，趙祥，等.磁控形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用研究［J］.噪聲與振動控制，2010(3):631 -636.

【3】張晶.磁控形狀記憶合金微位移執(zhí)行器模型的研究［D］.沈陽:沈陽航空工業(yè)學(xué)院，2010:32 -34.

【4】曹淑苑，王博文.超磁致伸縮致動器的磁滯非線性動態(tài)模型［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，23(11):145 -149.

【5】張慶新.MSMA 直線驅(qū)動器的數(shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2007，26(5):723 -726.

【6】林青，張國賢，何青瑋，等.超磁滯伸縮制動器的數(shù)學(xué)模型［J］.機(jī)電一體化，2001(6):26 -29.