高頻驅(qū)動超磁致伸縮致動器的磁場設(shè)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輸出位移大、抗載能力強、磁機轉(zhuǎn)換效率高以及響應(yīng)速度快等性能優(yōu)勢，但是國內(nèi)對超磁致伸縮致動器（UMA）的研究仍然存在以下幾個方而問題：一是較多地集中在準靜態(tài)或者低頻域的范圍內(nèi)，對高頻域內(nèi)的研究較為薄弱；二是設(shè)計過程中，對于超磁致伸縮致動器的磁場多以軸線方向上磁場強度為檢驗和設(shè)計標準，不利于建立精確的三維空間磁場數(shù)值計算模型。針對上述問題，本文設(shè)計出一款用于高頻的超磁致伸縮致動器，在ANSYS平臺上建立了精確的勵磁線圈空間磁場模型，對磁場均勻性，以及交流驅(qū)動磁場與靜態(tài)偏置磁場進行了仿真與分析。

　　1。高頻驅(qū)動的超磁致伸縮致動器設(shè)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(tǒng)靜態(tài)超磁致伸縮致動器的設(shè)計方法，同時考慮了交流電驅(qū)動引起的非線性因素，設(shè)計出高頻驅(qū)動下小物理體積、大能量輸出的超磁致伸縮致動器。

　　在合適的偏置磁場下，可使UMM棒工作于伸縮性能良好的線性區(qū)域。此時，當輸入為交變磁場時，超磁致伸縮棒將會產(chǎn)生與交變磁場同頻率的交變輸出位移，使得UMM棒體發(fā)生位移振動的運動。偏置磁場下正弦信號、方波信號驅(qū)動磁場時UMM的振動輸出原理圖。

　　與傳統(tǒng)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(yīng)速度快，響應(yīng)時間極短，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(qū)動磁場下，將會產(chǎn)生極快的響應(yīng)與極高的振動能量輸出，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動態(tài)磁場有限元分析

　　2。 1靜態(tài)驅(qū)動磁場分析

　　通過對激勵線圈磁場模型的分析，掌握了螺線管內(nèi)部磁場分布特性，為驅(qū)動線圈設(shè)計尺寸的選擇與優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。而在具體器件應(yīng)用中，磁場的分布情況還與器件結(jié)構(gòu)尺寸、漏磁情況及材料的磁導(dǎo)率有著密切關(guān)系，在超磁致伸縮致動器的磁場設(shè)計中，需要對這些因素進行綜合考慮。如果采用理論磁場計算方案對UMM棒內(nèi)部磁場進行計算，則必須要而對理論磁場數(shù)學(xué)建模難度過大的難題，可操作性不強。為此，采用基于“場”的有限元方法完成對超磁致伸縮致動器磁場的整體設(shè)計與分析。UMA的閉合磁路主要由底座、下導(dǎo)磁塊、UMM棒、上導(dǎo)磁塊、輸出軸及殼體組成。

　　雖然UMM棒體為疊片式結(jié)構(gòu)，但在靜態(tài)電流驅(qū)動時不存在渦流影響，可視UMM棒為軸對稱結(jié)構(gòu)，忽略少量的不對稱結(jié)構(gòu)影響，UMA可以看作完全軸對稱結(jié)構(gòu)，在建模過程中采用軸對稱建模方法，只需建立其軸對稱截而即可模擬整個UMA的模型，使計算量大大降低。對所建立的.模型進行網(wǎng)格劃分、加載與求解。

　　從分析結(jié)果可見，驅(qū)動線圈所產(chǎn)生的大部分磁力線通過UMM棒，經(jīng)過上導(dǎo)磁塊、輸出軸、外壁底座與下導(dǎo)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(dǎo)率較小，漏磁極少。從磁場強度分布來看，分布在UMM棒上的磁場強度較大，磁能較多地用于對UMM棒的驅(qū)動，說明所設(shè)計的UMA磁路合理。

　　2。 2交流驅(qū)動磁場設(shè)計有限元分析與激勵頻率討論

　　在交流驅(qū)動磁場下，電阻率將會在UMM棒中產(chǎn)生渦流，而渦流將會對UMM棒產(chǎn)生渦流熱效應(yīng)與集膚效應(yīng)影響，渦流熱效應(yīng)通過溫度變化影響超磁致伸縮材料的各項性能，集膚效應(yīng)則會引起超磁致材料內(nèi)部磁場非線性問題。給出了不同驅(qū)動頻率的電流下UMA磁場強度分布狀況。

　　從結(jié)果可以看出，在交流電驅(qū)動下，UMM棒中磁場分布具有如下特點：1）在交流電流驅(qū)動下，沿著UMM棒體徑向方向上，呈現(xiàn)出靠近軸線方向上磁場強度小，遠離軸線處的磁場強度大的特點；2）隨著驅(qū)動頻率逐漸增大，分布在UMM棒體上的磁場強度整體逐漸減小。在越靠近軸線處，磁場強度降低幅度更大，當驅(qū)動頻率達到600 H2時，軸線處磁場強度減小到零，而遠離軸線靠近棒體外徑處，磁場強度變化量很小。

　　UMM棒體內(nèi)磁場分布特點，證明了交流驅(qū)動時磁場分布集膚效應(yīng)導(dǎo)致UMM棒中各部分伸長不均勻，使得UMM棒外表伸長量大于內(nèi)部伸長量，進而引起UMM棒芯部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)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)氧樹脂對各疊片進行粘貼，達到抑制渦流效應(yīng)的作用。

　　3偏置磁場設(shè)計及優(yōu)化

　　在實現(xiàn)偏置磁場的仿真過程中，采用圓筒永磁鐵、圓柱永磁鐵及偏置線圈組合作用或單個作用的多種不同設(shè)計方案。UMA結(jié)構(gòu)優(yōu)劣評判及最優(yōu)偏置磁場設(shè)計方案見表

　　4結(jié)論

　　1）以超磁致伸縮驅(qū)動棒尺寸、偏置驅(qū)動磁場大小及交變磁場幅值基本參數(shù)為基礎(chǔ)，完成應(yīng)用高頻驅(qū)動的超磁致伸縮致動器設(shè)計。

　　2）在ANSYS平臺上建立了用于的高頻驅(qū)動勵磁線圈的磁場強度模型，完成了UMA靜態(tài)磁場仿真，對不同激勵頻率下UMA磁場分布進行了討論。

　　3）對不同驅(qū)動頻率下，徑向方向上磁場強度進行均勻度分析。分析結(jié)果表明，驅(qū)動頻率越大，驅(qū)動磁場的徑向均勻性越差。

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