气/液阀用超磁致伸缩驱动器的设计理论及方法研究

　　目前,各种气/液阀大都采用电磁式的电2机转换装置,这些装置不但体积重量大,能量密度低,而且动态响应也比较低,难以满足日益发展的新型高频响流体传动控制系统的要求。在新型气/液阀的研究中,曾采用了压电陶瓷、电致伸缩等新型功能材料[1],但其输出力和位移量都比较小,工作时自身组织结构容易出现不规则应变和蠕变,很不稳定,会产生漂移现象。而超磁致伸缩材料是一类新型的功能材料,具有输出力大、响应速度快、能量密度高、漂移小、移动范围大等优点,同时由其构成的驱动器结构简单,工作频率可达数千赫兹,在流体传动与控制领域具有良好的应用前景。本文从超磁致伸缩驱动器驱动气/液阀的工作特性出发,提出其设计理论和方法,并研制出具有实用价值的超磁致伸缩驱动器样机。

　　1　超磁致伸缩驱动器的组成及设计准则

　　超磁致伸缩材料棒是超磁致伸缩驱动器的核心,其工作性能主要由驱动磁场,预压力,工作频率和工作温度所决定。图1为本文研制驱动器时所使用材料的磁致伸缩系数磁场强度的关系λ与磁场强度H的关系。一般超磁致伸缩材料棒的应变ε由3部分组成:预紧力引起的材料压缩应变,驱动磁场引起的磁致伸缩应变和温升引起的热膨胀应变,其中磁致伸缩应变是主要应变。超磁致伸缩材料棒的输出力P则与棒的截面积和应变成正比。

　　根据超磁致伸缩材料的工作特性,本文提出阀用超磁致伸缩驱动器的组成原理如图2所示。其工作原理大致为:驱动线圈得电,产生驱动磁场,磁致伸缩棒伸长,推动放大机构,由放大机构推动推杆,从而输出力和位移,改变驱动磁场的大小,可以得到不同的输出力和位移。其设计准则如下:根据气/液阀的设计要求,主要是阀芯的位移和驱动阀芯所需的力,结合材料的工作特性来选择材料棒的参数,根据驱动磁场的要求来合理的设计线圈和磁路,选择合适的预紧力使材料棒得到尽可能大的应变和最大的线性工作区,并且要选择合适的放大方式以简化驱动器的结构。

　　2　气/液阀用超磁致伸缩驱动器的设计理论及方法

　　气/液阀用超磁致伸缩驱动器应该具有较宽的线性工作区,可以长时间稳定地工作(电流、温度平稳)。下面介绍驱动器主要部分的驱动线圈、驱动器内部磁路和放大机构的设计方法和理论。

　　(1)驱动线圈的设计。驱动线圈设计的任务就是要设计出线圈的内、外径和所用绕线的大小等关键参数。由电磁学知识可以求出线圈在空腔中心产生的磁感应强度为[7]

　　式中:μ0为真空磁导率;J为线圈电流密度;R1为线圈内半径;R2为线圈外半径;LN为线圈长度。