GMM執(zhí)行器電磁仿真與位移輸出實驗研究

王振宇,朱玉川

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

智能材料作為一種新型功能材料，是一種重要的能量轉(zhuǎn)換器件，而利用智能材料作為驅(qū)動的執(zhí)行器由于具有高輸出力及可靠性等特點(diǎn)，在飛機(jī)作動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)燃油噴射及直線電機(jī)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用[1-4]。

超磁致伸縮材料(GMM)作為智能材料的一種，具有應(yīng)變大，響應(yīng)快，能量密度高等特性[5-6]，因此，研究以GMM作為驅(qū)動的超磁致伸縮執(zhí)行器(GMA)在高性能電能-機(jī)械能與電能-液壓能轉(zhuǎn)換器中具有重要應(yīng)用價值和前景。

本文針對集成式磁致伸縮電靜液作動器應(yīng)用需求，對擬應(yīng)用于磁致伸縮電靜液作動器中的GMA進(jìn)行分析。通過試驗和仿真得到影響GMA靜態(tài)輸出性能的各個因素，為優(yōu)化和提高GMA的性能提供理論基礎(chǔ)。

1 工作結(jié)構(gòu)及原理

圖1為所設(shè)計的GMA整體結(jié)構(gòu)，它由線圈、線圈骨架、GMM棒及外殼組成[7]。通過對線圈施加交變電流,從而產(chǎn)生交變磁場來實現(xiàn)GMM棒的往復(fù)運(yùn)動。

圖1 GMA結(jié)構(gòu)原理圖

2 GMA電磁特性仿真

2.1 仿真模型

由于GMA通過線圈來產(chǎn)生磁場，對GMM棒進(jìn)行磁化并產(chǎn)生位移，因此，對GMM棒驅(qū)動磁場的研究是獲得高性能電-機(jī)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)和前提。

通過仿真軟件(ANSYS Workbench)中Maxwell3D模塊對GMA進(jìn)行建模，仿真選取GMM棒的長度為80 mm。GMA的磁場模型及有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 GMA仿真模型建立

2.2 仿真結(jié)果

通過建立GMA模型，對不同線圈長度下GMM棒的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如圖3所示。由圖可知，在施加相同驅(qū)動電流時，若線圈長度大于或小于GMM棒長度，線圈內(nèi)部的磁場均呈現(xiàn)中間高、兩端低的趨勢；而當(dāng)線圈長度等于GMM棒長度時，其軸向磁場分布較均勻。不均勻的磁場分布會使GMM棒各部分伸長量不同，影響其性能發(fā)揮，因此，在設(shè)計GMA時盡量使線圈長度與GMM棒長度相等。

圖3 不同線圈長度對磁場強(qiáng)度的影響

圖4為不同軸向位置處GMM棒的徑向磁場分布，其中z軸為磁致伸縮棒的軸線方向(見圖2)。由圖4可看出，z軸各個位置處的徑向磁場強(qiáng)度分布較均勻。因此，在分析時，可將徑向磁場強(qiáng)度視為均勻分布，即GMA徑向磁場分布相對于直徑變化基本保持恒定。坐標(biāo)軸z=10 mm,20 mm,30 mm表示距z軸零點(diǎn)的不同截面。

圖4 GMM棒徑向磁場分布

3 GMA位移輸出實驗研究

3.1 實驗系統(tǒng)組成與原理

圖5為GMA測試平臺的原理圖。實驗中，對激勵線圈施加交變電流，感應(yīng)線圈將GMA內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度傳遞到磁通計進(jìn)行測量，同時，激光位移傳感器可獲取GMA輸出端位移，其測量結(jié)果可通過示波器進(jìn)行讀取。實驗選取的超磁致伸縮棒長度為80 mm，線圈匝數(shù)為1 000匝。

圖5 GMA測試平臺原理圖

3.2 骨架材料與GMM棒切片的影響

所提供的GMM棒有切片式和非切片式兩種，而這兩種處理方式及線圈骨架材料的選取對GMM的輸出性能有較大的影響。利用切片和非切片的GMM棒及尼龍和鋁制骨架進(jìn)行實驗測試，繪制磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值隨驅(qū)動頻率的變化如圖6所示。

圖6 骨架材料與GMM棒切片對輸出性能的影響

由圖6可知，骨架材料相同時，切片式的性能更好；相同處理方式時，尼龍骨架磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值更大。這是由于隨著驅(qū)動頻率的增加，線圈產(chǎn)生的高頻交變磁場會使鐵磁材料產(chǎn)生渦流，同時線圈自身也會產(chǎn)生渦流。而渦流會阻礙磁場的增加，并產(chǎn)生熱量。這些均為系統(tǒng)的能量損失，使得GMA的輸出性能下降。綜合考慮，實驗時應(yīng)選用尼龍骨架并對GMM棒進(jìn)行切片處理。

3.3 預(yù)壓力的影響

由磁致伸縮的基本特性可知，合適的預(yù)壓力會改善磁致伸縮率的大小，因此，需要對預(yù)壓力的影響進(jìn)行實驗和分析。碟簧產(chǎn)生預(yù)壓力，過大的碟簧剛度不能使輸出力保持恒定，過小的碟簧剛度不足以提供令活塞快速復(fù)位的彈簧力。在保證系統(tǒng)快速響應(yīng)的前提下，應(yīng)使碟簧剛度滿足：

(1)

式中：kd為碟簧剛度；ω為系統(tǒng)最低角頻率；ms,mp分別為輸出桿和活塞的質(zhì)量。

確定了碟簧剛度后，即可對預(yù)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過實驗研究得到不同電流下預(yù)壓力與GMM的輸出位移間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同電流下預(yù)壓力與輸出位移的關(guān)系

由圖7可知，預(yù)壓力越大，GMM的輸出位移越大，當(dāng)預(yù)壓力超過一定值時(700 N)，輸出位移逐漸減小。結(jié)果表明，執(zhí)行器的預(yù)壓力需調(diào)定在一個最佳范圍內(nèi)。由圖還可知，在500～800 N時，GMM的輸出位移最大。因此，在設(shè)計GMA時，為確保GMA的輸出性能最佳，需要先確定碟簧剛度后再對預(yù)壓力進(jìn)行調(diào)定，以確保GMA工作于最佳狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文通過對GMA進(jìn)行實驗和部分仿真分析，得到影響超磁致伸縮執(zhí)行器輸出性能的幾個關(guān)鍵影響因素，為設(shè)計執(zhí)行器結(jié)構(gòu)提供了準(zhǔn)則。綜上所述，可得:

1) 驅(qū)動線圈的長度應(yīng)與GMM棒長度相等，此時的GMM棒的軸向磁場可以近似視為均勻分布，而在不同軸向位置處GMM棒的徑向磁場分布也相差不大，因此，可認(rèn)為也是均勻分布的。

2) GMM材料應(yīng)進(jìn)行切片處理，線圈骨架避免選取金屬材料，這樣可減小渦流的產(chǎn)生，減少發(fā)熱量，減小系統(tǒng)的功率損失。

3) 在一定范圍內(nèi)，隨著預(yù)壓力的增加，GMA輸出性能有所提升，但超過最佳預(yù)壓力以后，其輸出性能隨著預(yù)壓力的增加而降低。