GMM執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 機電學院，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換器件，而利用智能材料作為驅動的執行器由于具有高輸出力及可靠性等特點，在飛機作動系統、發動機燃油噴射及直線電機等領域具有重要應用[1-4]。

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

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

1 工作結構及原理

圖1為所設計的GMA整體結構，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,從而產生交變磁場來實現GMM棒的往復運動。

圖1 GMA結構原理圖

2 GMA電磁特性仿真

2.1 仿真模型

由于GMA通過線圈來產生磁場，對GMM棒進行磁化并產生位移，因此，對GMM棒驅動磁場的研究是獲得高性能電-機轉換的基礎和前提。

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

圖2 GMA仿真模型建立

2.2 仿真結果

通過建立GMA模型，對不同線圈長度下GMM棒的磁感應強度進行仿真分析，分析結果如圖3所示。由圖可知，在施加相同驅動電流時，若線圈長度大于或小于GMM棒長度，線圈內部的磁場均呈現中間高、兩端低的趨勢；而當線圈長度等于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，影響其性能發揮，因此，在設計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度分布較均勻。因此，在分析時，可將徑向磁場強度視為均勻分布，即GMA徑向磁場分布相對于直徑變化基本保持恒定。坐標軸z=10 mm,20 mm,30 mm表示距z軸零點的不同截面。

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，感應線圈將GMA內部的磁感應強度傳遞到磁通計進行測量，同時，激光位移傳感器可獲取GMA輸出端位移，其測量結果可通過示波器進行讀取。實驗選取的超磁致伸縮棒長度為80 mm，線圈匝數為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行實驗測試，繪制磁感應強度的比值隨驅動頻率的變化如圖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，尼龍骨架磁感應強度的比值更大。這是由于隨著驅動頻率的增加，線圈產生的高頻交變磁場會使鐵磁材料產生渦流，同時線圈自身也會產生渦流。而渦流會阻礙磁場的增加，并產生熱量。這些均為系統的能量損失，使得GMA的輸出性能下降。綜合考慮，實驗時應選用尼龍骨架并對GMM棒進行切片處理。

3.3 預壓力的影響

由磁致伸縮的基本特性可知，合適的預壓力會改善磁致伸縮率的大小，因此，需要對預壓力的影響進行實驗和分析。碟簧產生預壓力，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位的彈簧力。在保證系統快速響應的前提下，應使碟簧剛度滿足：

(1)

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

確定了碟簧剛度后，即可對預壓力進行調節。通過實驗研究得到不同電流下預壓力與GMM的輸出位移間的關系如圖7所示。

圖7 不同電流下預壓力與輸出位移的關系

由圖7可知，預壓力越大，GMM的輸出位移越大，當預壓力超過一定值時(700 N)，輸出位移逐漸減小。結果表明，執行器的預壓力需調定在一個最佳范圍內。由圖還可知，在500～800 N時，GMM的輸出位移最大。因此，在設計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壓力進行調定，以確保GMA工作于最佳狀態。

4 結論

本文通過對GMA進行實驗和部分仿真分析，得到影響超磁致伸縮執行器輸出性能的幾個關鍵影響因素，為設計執行器結構提供了準則。綜上所述，可得:

1) 驅動線圈的長度應與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，可認為也是均勻分布的。

2) GMM材料應進行切片處理，線圈骨架避免選取金屬材料，這樣可減小渦流的產生，減少發熱量，減小系統的功率損失。

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