超磁致伸缩致动器优化设计与特性测试

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Design and Characteristic Test of I Giant Magnet0strictiVe ActuatorCUI Xu，HE Zhong-bo，LI Dong-wei，LI Yu-long，XUE Guang-ming(NO.1 Department，Ordance Engineering Colege，Hebei Shijiazhuang 050003，China)Abstract：The designment ofgiant magnetostrictive actuator and the optimization of its solenoid coil and enameled wire arepresented and the staic characteristic and dynamic characteristic of GMA is tested here.The structure of GMA/s designedbased on the analysis ofGMM，eatures and the method ofproducing bias magneticfield is determined.The magneticfielddistribution along the axis and electro-mq c conversion eficiency are studied when the size parameter are varied，fromwhich the solenoid coil parameter is optimally designed.The model ofsolenoid coilS power consumption is set up to determinethe enameled wire param eter.The re of experiment incarnates finc staic and dynamic characteristic of GMA andconsistency between design parameter and experimental value，which shows the rationaliofthe optimal design。

Key W ords：Giant Magnetostrictive Actuator；Solenoid Coil；Optimal De岛ign；Test ofCharacteristicl I商铁磁材料因外磁场作用而磁化时，其长度及体积均发生变化的现象称为磁致伸缩效应。1974年，-些科研人员发现三元稀土合金Tbl-xDyxFe2在时磁致伸缩率达到峰值，因该合金在常温下具有很高的磁致伸缩应变，故被称为超磁致伸缩材料(GiantMagnetostrictiveMaterial，GMM)，材料具有响应快、应变大、输出力大等优异性能，在主动隔振、精密加工、流体控制等领域具有深远的应用前景[1。超磁致伸缩致动器(Giant Magnetostrictive Actuator，GMA)是以GMM为核心的基本机械能输出器件。

在 GMA中，GMM产生磁致伸缩应变的能量全部来自于线圈的励磁磁场，励磁线圈的电磁转换特性成为评价 GMM器件好坏的重要指标，励磁线圈的体积也是影响GMM器件整体尺寸的主要因素，同时励磁线圈能耗所转化成的热量也是 GMM器件发热的重要来源之-，但线圈的材料参数、结构参数等多种因素共同影响着磁场强度的分布，所以线圈设计-直是超磁致伸缩器件设计的重点和难点[21。

2致动器及线圈基本结构2.1 GMM基本特性实践证明，国产超磁致伸缩材料在 IOMPa的预压应力下具有较高的电机转换特性，d8xl00mm的GMM棒在 10MPa预压应力下的应变曲线，如图1所示。磁场强度为(10～50)kMm范围内，磁致伸缩应变与磁场强度基本呈线性关系，且斜率最大。

磁场强度 H(kA/m)图 1磁致伸缩材料应变曲线Fig.1 Strain Curve of GMM当为GMM施加连续的交变磁场时，GMM在正-反磁场作用来稿日期：2012-03-10基金项目：总装备部十二五”装备预先研究资助项目(51312060404)作者简介：崔 旭，(1987-)，男，硕士研究生，研究方向为车辆机电液控制与自动化技术；何忠波，(1968-)，男，副教授，研究方向为车辆机电液控制与自动化技术第 1期 崔 旭等：超磁致伸缩致动器优化设计与特性测试 33下都会伸长变形，于是就产生了应变频率为外磁场变化频率两倍的倍频”现象131。为了消除倍频现象，通常为GMM预先施加-恒定的偏置磁场，偏磁场的-般为GMM线性工作区段的中间，即30kA/m。当致动器电源为励磁线圈通入 lhl，sin(2wfi)的电流时，偏置恒定电流 ，产生的磁场为偏置磁场，本致动器即采用该方法施加偏置磁常那么，励磁线圈提供的励磁磁场为(-20-20)kA/m。

2.2致动器及线圈基本结构超磁致伸缩致动器结构，如图2所示。采用 GMM棒输出磁致应变，采用两只对合的碟片弹簧提供预压应力，GMM棒的尺寸为 中10x75mm。

1.顶杆 2.端盖 3.碟片弹簧 4.GMM 5.线圈骨架6.励磁/偏置线圈 7.外壳 8.底座图 2超磁致伸缩致动器结构简图Fig.2 Structural Diagram of GMA励磁线圈及线圈骨架的结构，如图3所示。线圈骨架采用厚度为2mm厚的铝材制作，线圈的主要尺寸参数有漆包线的线径、线圈的内径 线圈外径 。 以及线圈长 。由于 GMM棒和线圈骨架的限制，R。。15。

I. - - t L.--. Ic2图3线圈结构不意图Fig.3 Structural Diagram of Solenoid Coil3线圈尺寸优化设计由于实际线圈中磁场的分布是不均匀的，而这种不均匀可能导致 GMM利用率不足以及谐频输出等缺陷，所以磁躇匀性是评价励磁线圈性能好坏的关键指标之-。首先 ，若绕线厚度较小，可假设线圈为单层缠绕的螺线管，其半径为R 匝数为、通人电流为 ，，那么轴线上距螺线管中心为 处产生磁场强度为141：日 实践表明，螺线管轴线中心处磁场强度最大，即当x0时：Ⅳ 等赢 H( )±Q. -/ 。-s)2(2)(3)冥中，7-I o二n cL 式(3)可以表示了不同的线圈长度和直径对产生磁场的均匀度的影响。如图4所示。不同的长度与直径的比值下线圈内部磁场分布有很大的差异。当长度大于直径数倍时线圈内部部分区段可以保证较高的磁躇匀度，将GMM置于该区段即可保证GMM所受磁躇匀，那么GMM长度应小于线圈长度。但线圈长度较GMM长度太长后，虽然能够保证GMM内部磁场分布均匀，但是容易导致器件的电-磁转换效率降低。

图4不同尺寸下线圈轴线磁场强度分布Fig.4 Magnetic Field Distribution along the Axis whenPermanents of Coil are Varied根据线圈设计理论，对于多层缠绕的线圈，线圈的电磁转化效率可以采用均匀电流密度线圈的效率系数式(4)表示 ：r 厂丢丁 击 /寿h 其中， ：/R P，L 12R 。 。均匀电流密度线圈的效率系数G ( ， )是-个与线圈具体尺寸无关的系数，如图5所示。 取(2.2～5)， 取(1.3～3)范围内线圈电磁转换效率最高。

图 5线圈效率系数图Fig.5 The Map of Electro-Magn etic Conversion Efficiency比较式(3)及(4)，大电磁转换率和高磁躇匀度是互相矛盾的，所以在设计时应在保证电磁转换率 G ，y)较高的同时尽量增加均匀度，也即增加 的取值。取：机 械 设计 与制 造No.1Jan.20132/R l 3，Lc/2R 1 3 (5)再分析线圈磁场分布图4，对于满足式(5)的线圈，若要保证GMM所受磁躇匀度在 80%以上，应当有：L/L0.85 (6)线圈内径R .15mm，依据公式(5)计算得R 45mm；GMM长度为L75mm，依据公式(6)计算得L 88ram。

4线圈绕线优化设计线圈的功耗与缠制线圈所用漆包线的阻抗直接相关，线圈中通人交变电流后的阻抗表达式为 ：./ n： z[2R 1/ )-)式(7)中各参数取值，如表1所示。

表 1式(7)中参数Tab.1 Parameters of Formula(7)参数 取值线圈长度 L线圈内径R 。

漆包线裸线磁导率漆包线裸线电阻率n空气磁导率GMM相对磁导率驱动频率，尺寸系数式(7)中，线圈匝数 ，v的计算公式为：Ⅳ (8)线圈产生磁场强度的基本公式可变形为181：， (9)V当线圈中通入电流时，线圈的能耗为：P 厂z (10)5 GMA工作特性为了对 自主研制的超磁致伸缩致动器进行实验测试 ，搭建了实验台架，如图6所示。致动器静态位移由千分表测得，而动态位移由电涡流传感器测得。

伸缩器示波器图6超磁致伸缩致动器实验系统Fig.6 Experimental System of GMA对超磁致伸缩致动器进行静态驱动实验，通入线圈的电流范围为(04)A，每隔0.4A记录-次位移输出量。当输入电流在(0.4-2.5)A的范围内GMA位移输出量与电流基本呈线性关系，该电流范围与线圈设计的工作电流-致，证明了线圈优化设计的正确性。

对GMA进行动态测试，功率放大器输出的电流信号为，频率f2OOHz。每个激励周期下致动器的输出位移曲线基本相同，故致动器具有较好的可重复性，可以对其进行实时的动态控制。

但由于交变磁场作用下 GMM棒内部容易产生涡流损耗，致动器在 200Hz驱动时输出位移明显小于静态输出位移。

6结论(1)GMM因其优异的性能而在诸多领域均有广泛的应用前景，GMA是以GMM为核心的机械能输出器件。在分析GMM实验特性的基础设计并制作了GMA。

(2)分析尺寸参数对线圈轴线上磁场分布和线圈的电-磁转换效率的影响，结果表明大电磁转换率和高磁躇匀度是互相矛盾的，线圈设计时应在保证电磁转换率较高的同时尽量增加均匀度。

(3)实验结果表明，GMA线性工作区段所需的电流范围与线圈设计的工作电流-致，证明了线圈优化设计的正确性。

(4)GMA动态工作特性 良好，具有较高的可重复性 ，可以对其进行实时动态控制。