超磁致伸缩高频微小泵温度补偿结构设计

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超磁致伸缩材料(GMM)是近年来发展迅速的-种稀土材料 ，具有响应速度快、磁机耦合系数高及输出力大等优异特性。对此材料的研究与应用已经得到世界各国学者的广泛关注，并具有广阔的应用前景，但其存在的-些对应用不利的固有特性也引起了学者的考量，例如工作温度对磁致伸缩系数的影响，使 GMM的应用受到很大的限制。

超磁致伸缩高频微小泵中线圈发热及涡流、磁滞损失等导致 GMM发热是不可避免的，与此同时产生热致输出。GMM的热膨胀系数 O/约为 12×10～/K，与磁致伸缩系数在同-个数量级，故不可忽视温度引起的热变形对 GMM泵输出精度的影响，亟需设计出合理的热补偿机构来提高其精度。

本研究在介绍热补偿方法、分析磁致伸缩材料的热来源和微小泵工作原理的基础上，提出了相变材料和热膨胀补偿机构组合的方法来控制超磁致伸缩棒热致输出。由理论分析和试验可以得出，此方法对微小泵的温控起到明显效果，有利于提高了 GMM泵的输出精度，实现超磁致伸缩泵的微型化。

1 温度对磁致伸缩系数的影响超磁致伸缩材料对温度极为敏感，图 1所示的是温度( )对磁致伸缩系数的影响。

籁好垂麟餐图 1 温度对磁致伸缩 系数的影响在 13.8 MPa预压力和不同磁场强度作用下，当温度在40℃以下时，磁致伸缩系数上升较快；当温度在40℃ -50℃时，磁致伸缩系数达到最大值且 比较稳定；当温度超过50℃时，磁致伸缩系数开始逐渐减校因此，系统温度保持在40℃ ～50℃之间较为合适，这样能让磁致伸缩棒表现出优越的工作性能，所以对温度的控制是至关重要的。

2 温度补偿方法对超磁致伸缩棒温升与热变形的控制方法可以分为主动抑制和被动补偿两大类。主动抑制方式有水冷、油冷、相变温控等。被动补偿的方式主要有柔性支收稿日期：2013-03.18基金项目：国家 自然科学基金资助项 目(51075001)；安徽省高校 自然科学研究重点项目(KJ2012A092)作者简介 ：田冬林(1988-)，男，江苏泰州人，硕士研究生 ，研究方向为液压传动与控制。

2013年第9期 液压与气动 37等，设计出如图6所示的温控结构。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101.调节螺钉 2.前端盖 3.线圈架 4.驱动线 圈 5.偏 置线 圈6.热补偿套筒 7.相变材料 8.GMM棒 9.输出杆 10.预压弹簧图6 组合温控示意图当线圈通有电流时，在 GMM棒周围会产生-个驱动磁场 ，在驱动磁场的作用下，GMM棒会随着磁场的增强而伸长，同时随着磁场的减弱而缩短，从而推动输出杆移动，实现吸排油过程。但在此过程中，由于GMM材料在正、负磁场的作用下都有伸缩变形，故GMM棒的伸缩频率会是交流电频率的两倍，这就是磁致伸缩材料的倍频”现象。在现实应用中，常采用加偏置线圈和永磁体来解决。在 GMM棒的轴端添加-个调节螺钉，给 GMM棒施加-定的预压力，这样可以增大磁致伸缩系数同时让其工作在线性段，提高GMA磁能向机械能的转换效率。

相变材料可在相态变化过程中吸收和释放热量，且其自身温度保持恒定～相变材料用在温控方面是现代出现的新兴技术，最早应用在航天器的温控系统中。

在微小泵工作期间，线圈会产生焦耳热、涡流损耗、磁滞损耗以及摩擦损耗等，它们都会以热量的形式传给GMM棒，从而导致其热膨胀，影响吸排液精度。

为了保证 GMM棒的温度保持恒定，我们在 GMM棒周围添加-个相变腔，注人相变材料，借助其具有较大的潜热来吸收和释放传递给 GMM棒的热量，从而保证GMM棒温度恒定。

相变材料工作的缺点就是在持续长时间不问断的工作过程中，会全部转化为液体，使温度失去控制，这就是相变温控工作时长的局限性，因此在使用相变材料时需要事先计算其所需的质量，并保证-定的剩余系数。虽然相变材料存在固有的局限性，但相变恒温装置对热变形抑制效果非常明显，不需要人工操作，实现方法简单 ，性能稳定，-直被众多学者所称道。

- 个工作周期内 GMA的总发热量(I

则相变材料用量 (kg)为：M aQ/AHf (2)式中：a为相变材料的剩余系数；AHf为相变材料的熔化潜热，KJ/kg。

如图6所示，在 GMM棒周围利用铁基材料设置- 个相变腔用于填充相变材料～相变材料置于此相变腔内，既能吸收线圈产生的焦耳热，又能吸收磁致伸缩棒自身因涡流与磁滞损耗产生的热量。相变腔的接合面须采取密封措施 ，以防止相变材料液化后泄漏，还可以防止水分蒸发导致水合盐脱水变性。

相变材料需具有导热系数高、相变潜热大、难燃、化学性能稳定等特点，其选取需要根据合适的相变温度，选用按-定 比例配 比的 Na SO ·10H 0、Na CO。·10H 0、CH。COONa·3H 0，并用硼砂作过冷抑制剂，交联聚丙烯酸钠作分相防止剂，注入相变腔，构成相变温控层。此设计结构紧凑、简单易行、性能稳定可靠、不需要人工操作，对于干电池大小的微小泵来说效果明显。

热膨胀补偿机构和相变材料组合的热补偿方法结合了热膨胀补偿和相变温控两种方法的诸多优点，是- 种新型温控抑制方法。

3.2 高频微小泵结构及试验结果分析根据相变热膨胀补偿原理，结合超磁致伸缩高频微小泵的设计理论，设计出如图7所示的高频微小泵。

1.调节螺钉 2.蝶形 弹簧 3.相变材料 4.GMM棒5.铁制内套筒 6.偏置线圈 7.驱动线圈 8.预压弹簧9.吸油单向阀 10.密封毡圈 11.负载 l2.油箱图7 高频微小泵结构简图根据以上原理及方法，作者 自行设计制作了采用相变热膨胀补偿组合温控形式的超磁致伸缩微小泵，此器件结构简单、紧凑，性能稳定、可靠，易于微型化，并且分别在无温控和采用相变热膨胀补偿机构组合温控两种情形下，进行磁致伸缩棒的温度 和输出精度检测。试验中采用24 V、1.5 A的驱动电源，见图8。

1008060呈4o200图8 两种情况下温度变化38 液压与气动 2013年第9期DOI：10.11832/j.issn.1000-4858.2013.09.010- 种大流量高速开关阀的设计与实验研究赵 伟，张 凯，黄钰望，阮 健Design and Experimental Study of an On-of Valve with LargeFlow Rate and Fast ResponseZHAO Wei，ZHANG Kai，HUANG Yu·zhao，RUAN Jian(浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江 杭州 310014)摘 要：介绍了-种采用2D伺服阀作为先导控制级的双节流口并联输出结构的大流量高速开关阀的工作原理，通过理论分析和产品样机试验，研究了开关阀的泄漏特性、阀芯运动过程动态特性、阀口流动特性，并结合试验数据阐述了大流量开关阀设计中需注意的问题。该开关阀在 10 MPa工作压力下，阀口开启时间约 15 ms，进出口压差为2 MPa时的流量达到3000 L/rain。

关键词：液压阀；大流量开关阀；2D伺服阀中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)09-0038-03引言高速液压动力系统中，液压缸活塞运动速度很高，流过开关阀的油液流量非常大，为减小能量损失，开关阀必须具有非常大的过流能力，同时，对于具有响应速收稿 日期：2013-03-11基金项 目：国家自然科学基金项目(50975258)作者简介：赵伟(1986-)，男，安徽滁州人，博士研究生，主要从事液压控制系统及元件方面的研究工作。

根据试验结果表明，在无温控措施的情况下，工作4 h以后磁致伸缩棒的温度接近上百摄氏度，使壳体温度也随之上升至65℃左右，而我们在利用相变热膨胀补偿组合温控机构时，使磁致伸缩棒温度控制在45℃ ±0.5℃，根据热膨胀变形计算公式：SOL×AT×f (3)式中：S为总的变化量；O/为热膨胀系数；△ 为温度变化大小；f为膨胀方向的线长度本研究所取的 GMM棒为 610×80 mm，故在无温控情况下，变形量达到近50 m；而在相变热膨胀补偿情况下，微小泵的热膨胀输出能控制变形量在 1 I.Lm，大大地提高了微小泵的输出精度。

4 结论本研究提出了相变热膨胀补偿机构组合温控的新方法，由理论和试验分析可以看出，该方法对微小泵的温控起到明显效果，使得输出精度达到微米级，该温控系统实现了相变温控和热膨胀补偿机构两者之间的优势互补，既突破了相变温控的工作时长局限性，又补偿了热膨胀补偿结构无法保证恒定温度的弊端，同时还实现了主动抑制和被动补偿两者的完美结合，结构紧凑、性能可靠、简单易行，大大提高了 GMM泵的输出精度，并为超磁致伸缩高频微小泵的温控提供了有效方法，同时也为其实现微型化提供了理论依据。