伺服阀用GMM电-机械转换器静态输出特性的研究

    电-机械转换器作为连接电气元件和液压机械元件的桥梁,是电液伺服阀关键元件之一.利用新型功能材料驱动的电-机械转换器,可提高电液伺服阀的精度和频响.超磁致伸缩材料(Giant Magne-tostrictive Material,简写为GMM)是继稀土永磁,稀土磁光和稀土高温超导材料之后的又一种重要的新型功能材料,能有效地实现电-磁-机械能(信息)转换.与其它功能材料如压电材料(PZT)、形状记忆合金(SMA)和传统磁致伸缩材料Ni等相比,具有磁致伸缩应变大;输出力大,带载能力强;磁-机耦合系数大等诸多优点.与其它转换器相比,GMM转换器具有快响应、高精度、大输出力、结构相对简单和易于微型化等特点[1-4].GMM转换器的输出位移和输出力是其基本输出量,本文在分析伺服阀用GMM转换器结构原理的基础上,建立了其静态输出位移和输出力的数学模型,实验研究了GMM转换器的输出位移、输出力的静态和滞回特性.研究结果为其应用于两级电液伺服阀提供了设计和实验依据.

    1 伺服阀用GMM转换器结构原理

    图1是电)机转换器结构原理图.当激励线圈5通入一定电流,引起磁场变化,驱动GMM棒产生一定的输出位移,进而实现转换器电磁能与机械能间的转换.由外套4的压盖、预压弹簧2、调节螺钉8和输出杆1组成的预压力机构,给GMM棒施加一轴向预压力,使GMM在外加激励磁场作用下,获得较大的轴向磁致伸缩应变,以增大转换器位移输出.GMM磁致伸缩应变仅与激励磁场的大小有关,与激励磁场的正反方向无关.偏置线圈5给GMM棒施加一定强度的极化磁场,一方面可使GMM棒磁致变形处于线性区域,另一方面可避免倍频现象.偏置磁场可采用永久磁铁或电流线圈施加,使用前者偏置磁场强度不改变,使用后者则可根据不同的工况方便地调节,图1所示结构采用电流线圈施加偏置磁场.该结构采用油冷方式使GMM棒冷却,以消除热膨胀对GMM输出应变的影响,冷却油来自本身的液压系统,因此建模时温度的影响可不予考虑.

    2 静态数学模型

    2.1 位移输出特性

    静态模型包括位移和力输出特性.位移输出特性是指GMM转换器的驱动电流I(t)与输出位移x(I)的关系,通过调节驱动线圈的驱动电流可改变GMM的位移输出.由于GMM的输出很小仅在微米级,且主要应用于微米或纳米技术领域,因此其应变不仅与材料中的应力和磁场强度有关,而且由于驱动线圈发热而引起的变形也必须予以考虑.相应的磁-机械方程为[5-7]:

其中:E是GMM的应变矩阵,s^H是恒磁场、恒温时的弹性柔度系数矩阵,σ是GMM的内应力矩阵,d是恒应力、恒温时磁致伸缩应变系数矩阵,H是平均磁场强度矩阵,ΔT是平均温升矩阵,B是磁感应强度矩阵,A是恒磁场、恒应力时的热膨胀系数矩阵,p是恒磁场、恒应力时的热-机械转换系数矩阵,μ^σ是恒应力、恒温时的磁导率系数矩阵,t表示矩阵的转秩.