超磁致伸缩电-机械转换器设计及其滞回特性分析

　　1　引言

　　超磁致伸缩材料(TbDyFe,giant magnetostrictivematrial,简写为GMM)是一类新型的功能材料,在磁场激励下,它能产生比传统磁致伸缩材料(如镍、铁等)大几个数量级的应变输出。国外该类材料典型饱和磁致伸缩在1600ppm左右,国产材料的饱和磁致伸缩约1350ppm。磁致伸缩应变大、响应速度快、能量密度高是该类材料的特点,在声纳、超精加工、振动控制及智能结构等方面已有应用[1,2]。利用国产GMM开发相关新型电—机械转换器具有工程意义。

　　2　电—机械转换器结构和工作原理

　　超磁致伸缩电—机械转换器结构原理如图1所示。图中,由压盖1、弹簧2和输出杆4组成的预压力组件给GMM棒施加一定大小的轴向预压力,该轴向预压力可使GMM内部磁畴在零磁场时尽可能地沿着与轴向垂直的方向排列;当外加激励场时,可获得较大的轴向磁致伸缩应变,从而增大位移输出。另外,预压力的大小对磁机耦合系数也有影响,适当大小的预压力可提高电磁能向机械能的转换效率。前端板、外套、后端板、热补偿机构、GMM棒、输出杆和气隙等组成闭合磁路。偏置线圈给GMM棒施加一定强度的极化磁场,可避免倍频现象,又能使GMM棒磁致形变处于线性区域,并可减小转换器响应的不灵敏区。表1列出了图示结构相关参数。

　　GMM棒在外加激励线圈磁场作用下产生应变和应力,其宏观表现为位移和力的输出,从而实现电磁能向机械能的转换。其中,电磁能与机械能之间的转换满足如下方程:

　　式中,K3:GMM磁—机耦合系数;

　　Eelas　,Emagn:分别为弹性能和磁场能。

　　转换器中的电磁能量向机械能的转换受激励线圈输入电流控制,对应不同的输入电流,位移、力的输出随之改变。

　　2　设计中的几个问题

　　转换器机械结构方面需考虑的问题有:

　　(1)GMM棒轴向预压力的施加

　　超磁致伸缩材料磁致伸缩系数、磁—机耦合系数、场耦合系数等特性参数受预压力的影响较大。在拟定电—机械转换器结构时,需考虑对GMM棒施加轴向预压力的装置(径向压力无助于材料性能的发挥)。适当大小的预压力,一方面可使转换器位移输出增大及提高能量转换效率;另一方面,GMM棒弹性能一般需借助输出而对外作功,保持输出杆与GMM棒紧密接触对微小位移转换器而言是必要的。

　　施加预压力的方案有多种。图1中所示的采用预压弹簧的方式是较为方便的方法之一。另外,采用预紧螺栓对GMM施加预压力,或利用高压油源、气源等对GMM施加压力,亦为可行。加压方式视场合而定,以能方便调节预压力的大小为佳(对应一种工况,预压力一般保持定值)。