GMM执行器电磁仿真与位移输出实验研究

王振宇,朱玉川

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

0 引言

智能材料作为一种新型功能材料，是一种重要的能量转换器件，而利用智能材料作为驱动的执行器由于具有高输出力及可靠性等特点，在飞机作动系统、发动机燃油喷射及直线电机等领域具有重要应用[1-4]。

超磁致伸缩材料(GMM)作为智能材料的一种，具有应变大，响应快，能量密度高等特性[5-6]，因此，研究以GMM作为驱动的超磁致伸缩执行器(GMA)在高性能电能-机械能与电能-液压能转换器中具有重要应用价值和前景。

本文针对集成式磁致伸缩电静液作动器应用需求，对拟应用于磁致伸缩电静液作动器中的GMA进行分析。通过试验和仿真得到影响GMA静态输出性能的各个因素，为优化和提高GMA的性能提供理论基础。

1 工作结构及原理

图1为所设计的GMA整体结构，它由线圈、线圈骨架、GMM棒及外壳组成[7]。通过对线圈施加交变电流,从而产生交变磁场来实现GMM棒的往复运动。

图1 GMA结构原理图

2 GMA电磁特性仿真

2.1 仿真模型

由于GMA通过线圈来产生磁场，对GMM棒进行磁化并产生位移，因此，对GMM棒驱动磁场的研究是获得高性能电-机转换的基础和前提。

通过仿真软件(ANSYS Workbench)中Maxwell3D模块对GMA进行建模，仿真选取GMM棒的长度为80 mm。GMA的磁场模型及有限元网格划分结果如图2所示。

图2 GMA仿真模型建立

2.2 仿真结果

通过建立GMA模型，对不同线圈长度下GMM棒的磁感应强度进行仿真分析，分析结果如图3所示。由图可知，在施加相同驱动电流时，若线圈长度大于或小于GMM棒长度，线圈内部的磁场均呈现中间高、两端低的趋势；而当线圈长度等于GMM棒长度时，其轴向磁场分布较均匀。不均匀的磁场分布会使GMM棒各部分伸长量不同，影响其性能发挥，因此，在设计GMA时尽量使线圈长度与GMM棒长度相等。

图3 不同线圈长度对磁场强度的影响

图4为不同轴向位置处GMM棒的径向磁场分布，其中z轴为磁致伸缩棒的轴线方向(见图2)。由图4可看出，z轴各个位置处的径向磁场强度分布较均匀。因此，在分析时，可将径向磁场强度视为均匀分布，即GMA径向磁场分布相对于直径变化基本保持恒定。坐标轴z=10 mm,20 mm,30 mm表示距z轴零点的不同截面。

图4 GMM棒径向磁场分布

3 GMA位移输出实验研究

3.1 实验系统组成与原理

图5为GMA测试平台的原理图。实验中，对激励线圈施加交变电流，感应线圈将GMA内部的磁感应强度传递到磁通计进行测量，同时，激光位移传感器可获取GMA输出端位移，其测量结果可通过示波器进行读取。实验选取的超磁致伸缩棒长度为80 mm，线圈匝数为1 000匝。

图5 GMA测试平台原理图

3.2 骨架材料与GMM棒切片的影响

所提供的GMM棒有切片式和非切片式两种，而这两种处理方式及线圈骨架材料的选取对GMM的输出性能有较大的影响。利用切片和非切片的GMM棒及尼龙和铝制骨架进行实验测试，绘制磁感应强度的比值随驱动频率的变化如图6所示。

图6 骨架材料与GMM棒切片对输出性能的影响

由图6可知，骨架材料相同时，切片式的性能更好；相同处理方式时，尼龙骨架磁感应强度的比值更大。这是由于随着驱动频率的增加，线圈产生的高频交变磁场会使铁磁材料产生涡流，同时线圈自身也会产生涡流。而涡流会阻碍磁场的增加，并产生热量。这些均为系统的能量损失，使得GMA的输出性能下降。综合考虑，实验时应选用尼龙骨架并对GMM棒进行切片处理。

3.3 预压力的影响

由磁致伸缩的基本特性可知，合适的预压力会改善磁致伸缩率的大小，因此，需要对预压力的影响进行实验和分析。碟簧产生预压力，过大的碟簧刚度不能使输出力保持恒定，过小的碟簧刚度不足以提供令活塞快速复位的弹簧力。在保证系统快速响应的前提下，应使碟簧刚度满足：

(1)

式中：kd为碟簧刚度；ω为系统最低角频率；ms,mp分别为输出杆和活塞的质量。

确定了碟簧刚度后，即可对预压力进行调节。通过实验研究得到不同电流下预压力与GMM的输出位移间的关系如图7所示。

图7 不同电流下预压力与输出位移的关系

由图7可知，预压力越大，GMM的输出位移越大，当预压力超过一定值时(700 N)，输出位移逐渐减小。结果表明，执行器的预压力需调定在一个最佳范围内。由图还可知，在500～800 N时，GMM的输出位移最大。因此，在设计GMA时，为确保GMA的输出性能最佳，需要先确定碟簧刚度后再对预压力进行调定，以确保GMA工作于最佳状态。

4 结论

本文通过对GMA进行实验和部分仿真分析，得到影响超磁致伸缩执行器输出性能的几个关键影响因素，为设计执行器结构提供了准则。综上所述，可得:

1) 驱动线圈的长度应与GMM棒长度相等，此时的GMM棒的轴向磁场可以近似视为均匀分布，而在不同轴向位置处GMM棒的径向磁场分布也相差不大，因此，可认为也是均匀分布的。

2) GMM材料应进行切片处理，线圈骨架避免选取金属材料，这样可减小涡流的产生，减少发热量，减小系统的功率损失。

3) 在一定范围内，随着预压力的增加，GMA输出性能有所提升，但超过最佳预压力以后，其输出性能随着预压力的增加而降低。