CN103607134A - 超磁致伸缩致动器的优化与设计 - Google Patents

Abstract

本发明超磁致伸缩致动器的优化与设计，设计了超磁致伸缩致动器(GMA)，对线圈尺寸及绕线进行了优化设计，并测试了超磁致伸缩致动器的静、动态特性。在分析超磁致伸缩材料特性的基础上设计了GMA基本结构，并确定了偏置磁场的加载方式。研究了线圈尺寸参数对线圈轴线上磁场分布和线圈的电-磁转换效率两方面的影响，优化设计了线圈的尺寸；提出了线圈功耗表达式并分析了绕线直径对功耗的影响，择优选取了绕线。通过实验，结果表明GMA具有较好的静态、动态特性，且GMA工作特性与设计参数相吻合，证明了线圈优化设计的合理性。本发明的GMA不仅动态工作特性良好，具有较高的可重复性，而且可以对其进行实时动态控制，具有较高的通用性和工程实用价值。

Description

超磁致伸缩致动器的优化与设计

技术领域

本发明的技术方案设计了超磁致伸缩致动器(GMA)，具体地说是对其线圈尺寸及绕线进行了优化设计，并对其静、动态工作特性进行了实验测试。

背景技术

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，一些科研人员发现三元稀土合金Tb1-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(GiantMagnetostrictive Material，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。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一，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，所以线圈设计一直是超磁致伸缩器件设计的重点和难点，具有重要的理论意义与实际应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：通过对超磁致伸缩致动器(GMA)的线圈尺寸及绕线进行优化设计，达到较好的静、动态工作特性，具有较高的通用性和工程实用价值。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：超磁致伸缩致动器的优化与设计，设计了超磁致伸缩致动器(GMA)，对线圈尺寸及绕线进行了优化设计，并测试了超磁致伸缩致动器的静、动态特性。在分析超磁致伸缩材料特性的基础上设计了GMA基本结构，并确定了偏置磁场的加载方式。研究了线圈尺寸参数对线圈轴线上磁场分布和线圈的电-磁转换效率两方面的影响，优化设计了线圈的尺寸；提出了线圈功耗表达式并分析了绕线直径对功耗的影响，择优选取了绕线。通过实验，结果表明GMA具有较好的静态、动态特性，且GMA工作特性与设计参数相吻合，证明了线圈优化设计的合理性。

上述超磁致伸缩致动器的优化与设计，所述的励磁线圈及线圈骨架的结构，如附图2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d_w、线圈的内径R_c1、线圈外径R_c2以及线圈长L_c。由于GMM棒和线圈骨架的限制，R_c1＝15mm。

上述超磁致伸缩致动器的优化与设计，所述的线圈尺寸优化设计：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_cx、匝数为N_x、通入电流为I_x，那么轴线上距螺线管中心为x处产生磁场强度为：

$H_x=\frac{N_x{I}_x}{2L_c}(\frac{x+\frac{L_c}{2}}{\sqrt{{\left(R_{\mathrm{cx}}\right)}^2+{(x+\frac{L_c}{2})}^2}}-\frac{x-\frac{L_c}{2}}{\sqrt{{\left(R_{\mathrm{cx}}\right)}^2+{(x-\frac{L_c}{2})}^2}})---\left(1\right)$

实践表明，螺线管轴线中心处磁场强度最大，即当x＝0时：

$H_{\max }=\frac{N_x{I}_x}{2L_c}\frac{1}{\sqrt{{\left(R_{\mathrm{cx}}\right)}^2+{\left(\frac{L_c}{2}\right)}^2}}---\left(2\right)$

那么就有：

$\frac{H_x}{H_{\max }}=\left(\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2}+\frac{1}{4}}\right)(\frac{\mathrm{\χ}+0.5}{\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2}+{(\mathrm{\χ}+0.5)}^2}}-\frac{\mathrm{\χ}-0.5}{\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2}+{(\mathrm{\χ}-0.5)}^2}})---\left(3\right)$

其中， $\mathrm{\γ}=\frac{L_c}{{2R}_{\mathrm{cx}}},\mathrm{\χ}=\frac{x}{L_c}.$

公式(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。

上述超磁致伸缩致动器的优化与设计，所述的线圈绕线优化设计：由于线圈的功耗与缠制线圈所用漆包线的阻抗直接相关，线圈中通入交变电流后的阻抗表达式为：

$Z=[2R_{c1}+\frac{{{\mathrm{Nd}}_w}^2}{L_c}]g\sqrt{N^2{\mathrm{\π}}^2{{\mathrm{\Ω}}_w}^2+\frac{N^2\mathrm{\πf}{{\mathrm{\Ω}}_n}^2{\mathrm{\μ}}_n}{{d_w}^2}+\frac{{k_c}^2{N}^2{\mathrm{\π}}^4{f}^2{{\mathrm{\μ}}_0}^2{{\mathrm{\μ}}_s}^2}{4}{({2R}_{c1}+\frac{{{\mathrm{Nd}}_w}^2}{L_c})}^2}---\left(4\right)$

公式(4)中各参数取值，如表1所示。

表1 式(4)中参数

公式(4)中，线圈匝数N的计算公式为：

$N=\frac{L_c(R_{c2}-R_{c1})}{{d_w}^2}---\left(5\right)$

线圈产生磁场强度的基本公式可变形为：

$I=\frac{{\mathrm{HL}}_c}{N}---\left(6\right)$

当线圈中通入电流时，线圈的能耗为：P＝I²Z

上述超磁致伸缩致动器的优化与设计，所述的对GMA进行工作特性测量，包括：(1)静态驱动实验，通入线圈的电流范围为(0～4)A，每隔0.4A记录一次位移输出量。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一致，证明了线圈优化设计的正确性。(2)动态测试，功率放大器输出的电流信号为，频率f＝200Hz。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。

本发明的有益效果是：①动态工作特性良好，具有较高的可重复性；②可以对其进行实时动态控制，具有较高的通用性和工程实用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明超磁致伸缩致动器的优化与设计的流程示意框图。

图2为本发明超磁致伸缩致动器的优化与设计的线圈结构示意图。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明超磁致伸缩致动器的优化与设计的流程是：在分析超磁致伸缩材料特性的基础上设计了GMA基本结构，并确定了偏置磁场的加载方式。研究了线圈尺寸参数对线圈轴线上磁场分布和线圈的电-磁转换效率两方面的影响，优化设计了线圈的尺寸；提出了线圈功耗表达式并分析了绕线直径对功耗的影响，择优选取了绕线。通过实验，结果表明GMA具有较好的静态、动态特性，且GMA工作特性与设计参数相吻合，证明了线圈优化设计的合理性。

图2所示实施例表明，本发明超磁致伸缩致动器的优化与设计的线圈结构示意图：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d_w、线圈的内径R_c1、线圈外径R_c2以及线圈长L_c。由于GMM棒和线圈骨架的限制，R_c1＝15mm。

Claims (3)

1.超磁致伸缩致动器的优化与设计，其特征在于：设计了超磁致伸缩致动器(GMA)，对线圈尺寸及绕线进行了优化设计，并测试了超磁致伸缩致动器的静、动态特性；在分析超磁致伸缩材料特性的基础上设计了GMA基本结构，并确定了偏置磁场的加载方式；研究了线圈尺寸参数对线圈轴线上磁场分布和线圈的电-磁转换效率两方面的影响，优化设计了线圈的尺寸；提出了线圈功耗表达式并分析了绕线直径对功耗的影响，择优选取了绕线；通过实验，结果表明GMA具有较好的静态、动态特性，且GMA工作特性与设计参数相吻合，证明了线圈优化设计的合理性。

2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩致动器的优化与设计，其特征还在于，所述的励磁线圈及线圈骨架的结构，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d_w、线圈的内径R_c1、线圈外径R_c2以及线圈长L_c；由于GMM棒和线圈骨架的限制，R_c1＝15mm。

3.根据权利要求1所述的超磁致伸缩致动器的优化与设计，其特征还在于，所述的对GMA进行工作特性测量，包括：(1)静态驱动实验，通入线圈的电流范围为(0～4)A，每隔0.4A记录一次位移输出量；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一致，证明了线圈优化设计的正确性；(2)动态测试，功率放大器输出的电流信号为，频率f＝200Hz；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。

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