高頻驅動(dòng)超磁致伸縮致動(dòng)器的磁場(chǎng)設計論文
超磁致伸縮材料（UMM）主要是指以Fe2化合物為基體的合金。作為高效智能材料的典型代表之一，超磁致伸縮材料有著(zhù)輸出位移大、抗載能力強、磁機轉換效率高以及響應速度快等性能優(yōu)勢，但是國內對超磁致伸縮致動(dòng)器（UMA）的研究仍然存在以下幾個(gè)方而問(wèn)題：一是較多地集中在準靜態(tài)或者低頻域的范圍內，對高頻域內的研究較為薄弱；二是設計過(guò)程中，對于超磁致伸縮致動(dòng)器的磁場(chǎng)多以軸線(xiàn)方向上磁場(chǎng)強度為檢驗和設計標準，不利于建立精確的三維空間磁場(chǎng)數值計算模型。針對上述問(wèn)題，本文設計出一款用于高頻的超磁致伸縮致動(dòng)器，在A(yíng)NSYS平臺上建立了精確的勵磁線(xiàn)圈空間磁場(chǎng)模型，對磁場(chǎng)均勻性，以及交流驅動(dòng)磁場(chǎng)與靜態(tài)偏置磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真與分析。
1。高頻驅動(dòng)的超磁致伸縮致動(dòng)器設計
高頻域下的UMA與工作于靜態(tài)（準靜態(tài)）的UMA存在異同。本文參考傳統靜態(tài)超磁致伸縮致動(dòng)器的設計方法，同時(shí)考慮了交流電驅動(dòng)引起的非線(xiàn)性因素，設計出高頻驅動(dòng)下小物理體積、大能量輸出的超磁致伸縮致動(dòng)器。
在合適的偏置磁場(chǎng)下，可使UMM棒工作于伸縮性能良好的線(xiàn)性區域。此時(shí)，當輸入為交變磁場(chǎng)時(shí)，超磁致伸縮棒將會(huì )產(chǎn)生與交變磁場(chǎng)同頻率的交變輸出位移，使得UMM棒體發(fā)生位移振動(dòng)的運動(dòng)。偏置磁場(chǎng)下正弦信號、方波信號驅動(dòng)磁場(chǎng)時(shí)UMM的振動(dòng)輸出原理圖。
與傳統的壓電材料相比，超磁致伸縮材料具有優(yōu)良的磁彈性能，其反應速度快，響應時(shí)間極短，可達6 —10 s，而且其能量密度高達14—25 m。為此，在高頻率的驅動(dòng)磁場(chǎng)下，將會(huì )產(chǎn)生極快的響應與極高的振動(dòng)能量輸出，充分發(fā)揮出超磁致伸縮材料優(yōu)良的材料性能。
2高頻UMA動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)有限元分析
2。 1靜態(tài)驅動(dòng)磁場(chǎng)分析
通過(guò)對激勵線(xiàn)圈磁場(chǎng)模型的分析，掌握了螺線(xiàn)管內部磁場(chǎng)分布特性，為驅動(dòng)線(xiàn)圈設計尺寸的選擇與優(yōu)化提供了理論基礎。而在具體器件應用中，磁場(chǎng)的分布情況還與器件結構尺寸、漏磁情況及材料的磁導率有著(zhù)密切關(guān)系，在超磁致伸縮致動(dòng)器的磁場(chǎng)設計中，需要對這些因素進(jìn)行綜合考慮。如果采用理論磁場(chǎng)計算方案對UMM棒內部磁場(chǎng)進(jìn)行計算，則必須要而對理論磁場(chǎng)數學(xué)建模難度過(guò)大的難題，可操作性不強。為此，采用基于“場(chǎng)”的有限元方法完成對超磁致伸縮致動(dòng)器磁場(chǎng)的整體設計與分析。UMA的閉合磁路主要由底座、下導磁塊、UMM棒、上導磁塊、輸出軸及殼體組成。
雖然UMM棒體為疊片式結構，但在靜態(tài)電流驅動(dòng)時(shí)不存在渦流影響，可視UMM棒為軸對稱(chēng)結構，忽略少量的不對稱(chēng)結構影響，UMA可以看作完全軸對稱(chēng)結構，在建模過(guò)程中采用軸對稱(chēng)建模方法，只需建立其軸對稱(chēng)截而即可模擬整個(gè)UMA的模型，使計算量大大降低。對所建立的.模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載與求解。
從分析結果可見(jiàn)，驅動(dòng)線(xiàn)圈所產(chǎn)生的大部分磁力線(xiàn)通過(guò)UMM棒，經(jīng)過(guò)上導磁塊、輸出軸、外壁底座與下導磁塊形成閉合回路。雖然輸出軸與外壁之間存在少量間隙，但由于空氣磁導率較小，漏磁極少。從磁場(chǎng)強度分布來(lái)看，分布在UMM棒上的磁場(chǎng)強度較大，磁能較多地用于對UMM棒的驅動(dòng)，說(shuō)明所設計的UMA磁路合理。
2。 2交流驅動(dòng)磁場(chǎng)設計有限元分析與激勵頻率討論
在交流驅動(dòng)磁場(chǎng)下，電阻率將會(huì )在UMM棒中產(chǎn)生渦流，而渦流將會(huì )對UMM棒產(chǎn)生渦流熱效應與集膚效應影響，渦流熱效應通過(guò)溫度變化影響超磁致伸縮材料的各項性能，集膚效應則會(huì )引起超磁致材料內部磁場(chǎng)非線(xiàn)性問(wèn)題。給出了不同驅動(dòng)頻率的電流下UMA磁場(chǎng)強度分布狀況。
從結果可以看出，在交流電驅動(dòng)下，UMM棒中磁場(chǎng)分布具有如下特點(diǎn)：1）在交流電流驅動(dòng)下，沿著(zhù)UMM棒體徑向方向上，呈現出靠近軸線(xiàn)方向上磁場(chǎng)強度小，遠離軸線(xiàn)處的磁場(chǎng)強度大的特點(diǎn)；2）隨著(zhù)驅動(dòng)頻率逐漸增大，分布在UMM棒體上的磁場(chǎng)強度整體逐漸減小。在越靠近軸線(xiàn)處，磁場(chǎng)強度降低幅度更大，當驅動(dòng)頻率達到600 H2時(shí)，軸線(xiàn)處磁場(chǎng)強度減小到零，而遠離軸線(xiàn)靠近棒體外徑處，磁場(chǎng)強度變化量很小。
UMM棒體內磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，證明了交流驅動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)分布集膚效應導致UMM棒中各部分伸長(cháng)不均勻，使得UMM棒外表伸長(cháng)量大于內部伸長(cháng)量，進(jìn)而引起UMM棒芯部出現應力集中現象，從而影響UMM使用壽命與材料性能。為了充分發(fā)揮超磁致伸縮材料的性能優(yōu)勢，將UMM棒體沿軸向切割為多層疊片，使用絕緣的環(huán)氧樹(shù)脂對各疊片進(jìn)行粘貼，達到抑制渦流效應的作用。
3偏置磁場(chǎng)設計及優(yōu)化
在實(shí)現偏置磁場(chǎng)的仿真過(guò)程中，采用圓筒永磁鐵、圓柱永磁鐵及偏置線(xiàn)圈組合作用或單個(gè)作用的多種不同設計方案。UMA結構優(yōu)劣評判及最優(yōu)偏置磁場(chǎng)設計方案見(jiàn)表
4結論
1）以超磁致伸縮驅動(dòng)棒尺寸、偏置驅動(dòng)磁場(chǎng)大小及交變磁場(chǎng)幅值基本參數為基礎，完成應用高頻驅動(dòng)的超磁致伸縮致動(dòng)器設計。
2）在A(yíng)NSYS平臺上建立了用于的高頻驅動(dòng)勵磁線(xiàn)圈的磁場(chǎng)強度模型，完成了UMA靜態(tài)磁場(chǎng)仿真，對不同激勵頻率下UMA磁場(chǎng)分布進(jìn)行了討論。
3）對不同驅動(dòng)頻率下，徑向方向上磁場(chǎng)強度進(jìn)行均勻度分析。分析結果表明，驅動(dòng)頻率越大，驅動(dòng)磁場(chǎng)的徑向均勻性越差。
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