超磁致伸缩致动器有限元分析及实验研究

    0　引　　言

    超磁致伸缩致动器(GMA)是利用超磁致伸缩材料(GMM)在外部磁场变化时发生伸缩形变而制作的一种新型精密致动器,具有输出位移大、低电压驱动、位移分辨率高等优点^[1],是改变现有自动控制技术现状、简化设备设计和提高产品精确度及反应速度的新一代致动器,已在精密驱动、精密定位等领域显示出良好的应用前景^[2-3].

    GMM的磁致伸缩性能直接取决于激励磁场特性^[4],致动器内部磁场的强度及均匀性对其性能影响较大^[5-6],因此,进行致动器的磁场数值分析,对预估致动器工作参数、更好地发挥致动器性能具有重要的意义.

    文献[4]采用有限元方法进行了致动器磁场分析,并计算了位移-电流关系.文中采用轴对称方式对GMA进行建模,以此进行了致动器的磁场分析,并计算了不同预压力下的输出特性.最后,将分析结果与实际测试结果进行了比较.

    1　GMA结构

    选用直径×长度=8 mm×50 mm的国产GMM棒设计制作了一台GMA样机.结构如图1所示.改变驱动线圈3中的电流,GMM棒9所处的磁场强度就发生变化,从而导致GMM棒的变形.因此,通过控制线圈中的电流强度就可控制GMA的输出位移和输出力.调节螺母6和预紧弹簧5提供一定的预紧力,使得GMM棒处于受压状态,从而GMA具有更好的性能.表1列出了该致动器主要参数.

    在泵的压力作用下,恒温水从入水口1流入,经过线圈骨架8与套筒10之间的空腔,再从出水口12流出,带走电磁线圈工作时产生的热量,从而保证GMM棒工作温度的稳定.

   2　GMA磁场数值分析

    文中在对GMA进行建模时,作如下简化.

    1)忽略致动器内部一些局部非对称结构的影响,致动器可以看作2D轴对称结构,如图2 a)所示.

2)闭合磁路中的气隙如图1所示,输出轴与壳体存在间隙配合(仅0.01 mm),经过计算,其磁阻趋于零,从而可以忽略该气隙的存在^[7].

    建模时,选用电磁分析中的PLANE53单元对模型进行剖分,剖分结果见图2 b).

    模型被自动剖分为555个单元,具有1 714个节点,其中GMM棒采用手工划分网络的方法,被剖分为5×10个单元,如图2 c)所示.

    由于GMM材料非线性比较严重,为了减少GMM棒初始时的死区电流段,一般需要施加适当的偏置磁场.根据GMM材料出厂时提供的特性,文中偏置线圈电流取为1.45 A,对驱动线圈施加0～1.0 A的电流.

    如表2所列,在不同的预压力下GMM材料的磁场特性(H-λ)是不相同的,在适当的预压力作用下,H-λ特性线性比较理想,工作时可通过弹簧给GMM棒施加合适的预压力.