基于雙磁致伸縮材料棒的電動靜液執行機構技術研究

周文君

（山西天地煤機裝備有限公司 內蒙古分公司，內蒙古鄂爾多斯017209）

0 引言

電動飛機被認為是未來飛機發展的一種選擇，并且已經應用于少數飛機[1]。靜液壓致動器（EHA）是電動飛機的主要部分，主要用于控制飛機的飛行控制面，其性能決定了整個系統的可靠性[2]。因此，高性能EHA的開發意義重大。智能材料是一種新型的功能材料，是重要的能量轉換設備?？紤]到它們具有高頻響應和高功率密度的特性，一些研究檢查了由智能材料組成的EHA[3]。

通常，由智能材料驅動的EHA由智能材料泵、整流閥、液壓缸和流路組成[4]，其中整流閥分為主動閥和被動閥。由于被動閥的響應速度在高頻率下還不夠高，因此在本研究中使用主動閥作為整流閥進行了仿真研究。

鑒于單個智能材料單元產生的位移很小，最近使用多種智能材料作為驅動器來放大輸出位移或實現不同的運動的情況已引起了人們廣泛的研究興趣。例如，相關研究人員于2010年提出了一種由壓電堆驅動的旋轉電動機的機構和設計方法[5]。在這項研究中，將相同的電壓信號同時施加到2個壓電堆上，并且中心轉子因摩擦而旋轉。該旋轉電動機可實現正向和負向旋轉，最大負載分別為74 N和78 N。本文提出了一種由兩種巨大的磁致伸縮材料組成的復合驅動器的機電轉換器（GMM）棒。兩個GMM桿通過Z型套筒組合在一起，以實現GMM執行器的高位移輸出。

本文研究的目的是設計1個基于雙磁致伸縮棒的靜液壓執行機構（DMEHA），描述其工作原理，并將輸出流量與基于單個磁致伸縮棒的靜液壓執行機構（SMEHA）進行比較。為了比較它們的性能，2個致動器中的磁致伸縮材料棒（MMR）的總長度和線圈匝數相等。為了實現氣缸的雙向輸出位移，采用了兩個輸入電流信號的初始相位角。此外，由于使用了主動旋轉閥，DMEHA可以實現更高的峰值流量。這與由于使用傳統的被動簧片閥而呈現出較小峰值流量的其他EHA相反。

1 結構與工作原理

圖1 DMEHA三維模型圖

DMEHA的三維模型如圖1所示，它由2個基于磁致伸縮材料的泵（MMP）、主動旋轉閥、液壓缸和歧管組成。2個MMP的安裝位置相互成90°。

主動旋轉閥將2個MMP的出口連接到歧管的不同油路，以使一個泵吸入的油在工作過程中不會干擾另一泵排出的油。DMEHA的工作過程：當泵1處于排油階段時，則泵2處于吸油階段。經過主動旋轉閥的校正后，泵1排放的機油流向端口1，而端口2的機油流向泵2。另外，當泵1處于吸油階段時，泵2處于排油階段。經過主動旋轉閥的校正后，端口2的油流向泵1，而泵2排出的油流向端口1。端口1始終用作排油端口，端口2始終用作吸油端口。因此，如果2個MMP的驅動頻率與主動旋轉閥的頻率相匹配，則液壓缸將實現連續排量。

2 數學模型

基于DMEHA的結構，本文重點進行了磁性材料泵（MMP）模型研究。

圖2所示為磁性材料泵的示意圖。信號發生器產生的電壓信號通過功率放大器轉換為線圈的輸入電流。當向線圈施加交流電時，會在磁性材料泵的軸向方向上產生交變磁場，并使磁性材料泵顯示相應的輸出位移，從而使柱塞運動。貝爾維爾彈簧用于線性化磁性材料泵的輸出?；谏鲜龉ぷ髟?，磁性材料泵運動過程的數學模型分為3個部分：電壓-電流轉換模型，磁性材料泵的位移-力模型和機械動力學模型。

電壓-電流轉換模型：功率放大器通過電阻電容（RC）網絡控制負載電流的大小。因此，功率放大器的數學模型被描述為二階系統，功率放大器二階系統函數的數學表達式為

圖2 磁性材料泵模型示意圖

式中：G(s)為功率放大器二階系統函數；kU為功率放大器的放大系數；T為RC網絡的時間常數；s為負載電流；ωU、ξU分別表示二階系統的固有頻率和阻尼比。

鑒于功率放大器的內部電路很復雜，將階躍信號和一些不同頻率的正弦信號提供給功率放大器，以識別式（1）中的4個主要參數及4個主要參數不等式。

MMR的位移力模型：使用壓電系數并通過線性化表示MMR的位移力模型。當線圈以電流I通電時，MMR中的磁通量Φ滿足以下表達式：

式中：N為線圈匝數；Rg為磁阻；x為MMR的輸出位移；d33為線圈通徑。

磁致伸縮力F的表達式為

式中：k表示渦流常數；Φ表示渦流深度；d33為線圈通徑。

3 仿真模型與分析

基于上述數學模型，本文建立了MATLAB/Simulink模型，分析了仿真模型的一些主要參數設置。為了分析主動旋轉閥的流量，將兩個振幅為6 A、直流偏置為3 A、頻率為50 Hz的正弦電流信號施加到泵1和泵2。泵1和泵2的電流信號和流量如圖3所示，其中Q1in和Q2in分別表示從旋轉閥吸入到泵1和泵2的油的流量，而Q1out和Q2out分別表示從泵1和泵2排放到旋轉閥的油的流量。

圖3 仿真模型分析結果

如圖3 仿真模型分析結果所示，在仿真過程中，x軸表示時間（以ms 為單位），由于2 個信號之間的相位差，泵1的輸入電流信號在0～10 ms內逐漸增加，而泵2的輸入電流信號在同一時間段內減小。因此，泵1連續排出油，而泵2連續吸入油。此外，泵最初先升高然后降低。同時，泵壓力也先升高然后降低。在10～20 ms內，泵1的輸入電流信號逐漸減小，而泵2的輸入電流信號逐漸增大，因此，泵1持續吸油，而泵2持續排放油。在整個過程中，均通過旋轉閥進行流量整流，旋轉閥將來自排放泵的流量引導至出口端。整流作用導致油流不斷，而油流又產生了氣缸活塞的連續運動。

4 結論

本文設計了雙磁致伸縮棒的靜液壓執行機構的新結構，并提出了其工作原理：1）一個簡單而緊湊的主動旋轉閥用于執行油流整流，以實現執行器的連續位移。根據執行機構各部分的工作原理，建立了仿真模型，其結果與實驗結果吻合良好。2）將新雙磁致伸縮棒的靜液壓執行機構的性能與基于單個磁致伸縮棒的靜液壓執行機構的性能進行了比較。結果表明，雙磁致伸縮棒的靜液壓執行機構的最大輸出流量在150 Hz的驅動頻率下為2.61 L/min，而基于單個磁致伸縮棒的靜液壓執行機構的最大輸出流量在110 Hz的驅動頻率下為1.2 L/min。