超磁致伸缩致动器热变形影响及温控研究

　　0　引言

　　超磁致伸缩材料是一种新型高效的磁能-机械能转换材料[1],利用超磁致伸缩材料在磁场变化时发生伸缩形变而制作的超磁致伸缩致动器(giantmagne-tostrictive actuator,GMA),具有输出力大、位移分辨率高、响应快等诸多优点[2]。然而,GMA电磁线圈(包括驱动线圈和偏置线圈)通电工作时有发热现象,对超磁致伸缩棒的影响显著而不可忽略[3O5],发热不仅会造成磁致伸缩棒的热变形,也会影响磁致伸缩系数的稳定性。因此,必须采取有效措施来抑制热影响,以保证GMA的精密输出。

        目前,抑制GMA热变形的方法主要有强制冷却和被动补偿[6]。被动补偿方法采用软件或特定机构来补偿超磁致伸缩棒的热变形,以消除或减小发热对GMA的输出影响。被动补偿容易实现,成本低,但仅适合于中小功率系统,且补偿量难以控制,精度较低[7,8],因此,对致动器输出精度要求严格的场合,一般采用恒温水强制冷却。强制冷却(水冷或油冷)采用恒温液体流过驱动器内部,使其内部温度保持稳定,从而限制磁致棒和输出轴的受热伸长[9]。但是从目前的文献来看,强制冷却方法主要用于超磁致伸缩棒的温控,而普遍忽略了致动器壳体及其他部件的热变形。

　　本文在分析GMA热变形影响的基础上,结合实验论证,认为在大功率、超高精度场合进行致动器的整体温控是必要的。笔者设计并制作了一台GMA样机,在其电磁线圈的骨架中设置了内外两个水冷腔。该样机在恒温水的作用下,不仅能控制超磁致伸缩棒的温升,也可以有效抑制线圈发热对壳体等造成的热影响。

　　1　GMA的热变形分析

　　GMA热源主要来自于电磁线圈通电发热、机械滞回效应以及超磁致伸缩棒伸缩时与周围摩擦生热等。

　　1.1　热变形影响

　　GMA发热后对其输出精度产生影响,主要体现在三个方面:引起超磁致伸缩棒热膨胀;导致磁致伸缩系数不稳定;引起壳体及其他部件热膨胀。

　　(1)引起超磁致伸缩棒热膨胀。线圈热量传导至磁致棒,将使超磁致伸缩棒的温度升高。超磁致伸缩材料的线膨胀系数约为αl=12×10-6K-1[4]。以本文选用规格为8mm×50mm的超磁致伸缩棒为例,温度升高10℃,其热变形S按下式计算竟达6μm:

　　S =αlΔt l                                                              (1)

　　式中,Δt为温度变化;l为超磁致伸缩棒长度。

　　(2)导致磁致伸缩系数不稳定。超磁致伸缩材料对温度非常敏感,集中体现在温度对磁致伸缩系数的影响上。图1显示了在预压力为13·8MPa下温度对超磁致材料的磁致伸缩系数λ的影响[10]。从图中可以看出,不同磁场强度H时温度t对磁致伸缩系数λ的影响稍有差异,但其总体规律是相同的。即温度在40℃以下时,磁致伸缩系数λ随温度上升而迅速增大;温度在40~50℃之间时,磁致伸缩系数λ较为稳定;温度超过50℃时,磁致伸缩系数λ随温度上升而缓慢减小。