微型超磁致伸缩高速阀致动器的优化设计

　　磁致伸缩材料在磁场作用下可以沿着磁化方向发生微量的伸长和缩短.20世纪70年代,美国水面武器中心的Clark博士发现了在室温下有很大磁致伸缩系数的稀土超磁致伸缩材料( giantmagnetostrictive material, GMM),它的应变率比传统的磁致伸缩材料Co、Ni等大100多倍,比压电陶瓷大10~14倍,它的响应频率高达20 kHz^[1].由于GMM致动器的输出能力强、位移大、频率范围宽、结构简单、易实现微型化等优点,可以被广泛应用于微阀、微泵、声纳、主动振动、隔振等多领域.超磁致伸缩高速阀一般以典型的超磁致伸缩材料Terfenol-D为主动材料,驱动磁场由环绕在GMM外面的螺线管线圈提供,材料的磁致伸缩系数在一定范围内随磁场强度的增大而增大.如何提高材料的磁致伸缩量,提高能量的转换效率等方面的优化是致动器研究人员广泛关注的问题.本文以提高超磁致伸缩高速阀的位移输出性能和能量转换效率为依据,对高速阀致动器进行优化设计.首先讨论致动器的线圈优化设计,分析如何在相同的驱动电流、电压下选取合适的漆包线和线圈尺寸,获得更大的磁场强度,从而得到更大的磁致伸缩量;其次通过Terfenol-D棒的设计,提高其有效磁通量,降低致动器内的涡流;最后从提高致动器的能量转换效率方面对致动器进行优化设计.

　　1　超磁致伸缩高速阀致动器设计

　　超磁致伸缩高速阀致动器的结构一般由上下底座、超磁致伸缩棒、驱动线圈、输出顶杆、预应力机构(一般采用碟簧)、冷却装置、永磁体、线圈骨架等组成.在微型高速阀中,由于尺寸的限制,有些部件可以在满足高速阀性能要求的前提下进行省略或改进.比如冷却装置可以采用外部强力空气冷却、整体液体冷却等方式,或采用温度补偿方式.预应力机构也可以采用静态负载预应力装置代替.偏置磁场可以采用在交流驱动线圈中增加直流分量的方式代替永磁体提供磁偏置,因为永磁体体积大,而且不可调节,利用直流偏置磁场恰恰可以弥补它的这两种缺陷.微型高速阀中经常采用直流偏置的方式.

　　根据以上分析,图1是改进设计后的微阀致动器示意图.其中GMM选用圆筒形的Terfenol-D棒,驱动线圈中可通驱动交流电和偏置直流电.Terfenol-D棒与顶盖和底座胶黏在一起,构成线圈骨架,简化了高速阀致动器的结构.底座固定在电磁阀的底座上,顶端自由,输出顶杆与顶盖螺纹连接,当Terfenol-D棒在磁场作用下伸长时会推动顶盖,带动输出顶杆的运动.同时顶盖还可作为Terfenol-D的静态负载,提供预应力.磁致伸缩棒与高磁导率的顶盖、底座、外套一起构成磁回路,输出顶杆采用低磁导率材料,防止磁场泄漏.冷却方式采用外部强冷空气冷却,使致动器温度保持在室温工作环境下.