超磁致伸縮換能器的電磁性能優(yōu)化

超磁致伸縮換能器的電磁性能優(yōu)化

當(dāng)鐵磁體發(fā)生在磁場的尺寸變化時，被稱為磁速擴(kuò)展。傳統(tǒng)的磁速膨脹材料包括鐵、銅等，其磁速膨脹系數(shù)非常小。例如，鐵為2.110-5，銅為4.610-5。在20世紀(jì)70年代，在室溫下發(fā)現(xiàn)了稀土金屬化合物nb1-dxyxfe2-y。具有較高的磁速擴(kuò)展性能、低磁極的各向異性和改進(jìn)的機(jī)械性能。在低磁速中，磁速擴(kuò)展的系數(shù)最高，達(dá)到210-3。這是傳統(tǒng)磁速擴(kuò)展材料的10倍到100倍，稱為超磁速擴(kuò)展材料（pmm）。代表性材料為t0.3dy0.7f2。當(dāng)mm在磁體作用下發(fā)生位移時，或在交變磁體作用下，由于變形和縮短，造成振動或聲波，電磁能被轉(zhuǎn)換成機(jī)器或聲音能。vmm也具有壓磁作用，由于外部阻力，改變材料的硬化狀態(tài)，可以用作傳感器。GMM的傳感和致動功能的有機(jī)結(jié)合,形成可感知力、位移、振動、聲、磁等信號并進(jìn)而根據(jù)需要制成相應(yīng)的智能結(jié)構(gòu)或智能系統(tǒng).基于上述原理,GMM換能器在聲納、電聲換能器、海洋探測與開發(fā)技術(shù)、微位移驅(qū)動、減振與防振、減噪與防噪系統(tǒng)、智能機(jī)翼、機(jī)器人、自動化技術(shù)、燃油噴射技術(shù)、特種加工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.因?yàn)镚MM的磁致伸縮性能直接取決于激勵磁場特性,所以GMM換能器中的勵磁線圈和磁路的設(shè)計(jì)方案將對換能器的性能產(chǎn)生直接影響.本文研究了線圈幾何參數(shù)和磁路布置方案對工作磁場的影響,并進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)分析,提出了GMM換能器的磁路設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法.1gmm棒的原理GMM換能器作為能量轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件,其設(shè)計(jì)對能量轉(zhuǎn)換效率起著決定性作用.本文研究用于低頻大功率振動器的GMM換能器,采用如圖1所示的結(jié)構(gòu).外筒、頂蓋、底座和導(dǎo)磁體以及GMM棒形成閉合的磁路;環(huán)繞線圈的圓環(huán)形永磁體的磁化強(qiáng)度確定了換能器的磁偏置水平,并通過線圈的偏置直流電進(jìn)行調(diào)整;預(yù)應(yīng)力螺塞和頂蓋內(nèi)的碟簧提供對GMM棒可調(diào)節(jié)的機(jī)械預(yù)應(yīng)力;可編程信號發(fā)生器(泰克AFG310)產(chǎn)生的信號經(jīng)線性功率放大器(Techron5050)放大后輸入驅(qū)動線圈,電流的頻率和幅值可以相應(yīng)改變作用于GMM棒上磁場的頻率和強(qiáng)度;GMM棒產(chǎn)生的應(yīng)變通過頂柱輸出到與其連接的可變質(zhì)量負(fù)載上.換能器的輸出位移和輸出力與GMM棒的幾何尺寸有關(guān),可按下式估算:式中:Δl為換能器的輸出位移(mm);λs為飽和磁致伸縮系數(shù);l為GMM棒長度(mm);F為換能器輸出力(N);Ar為GMM棒橫截面積(m2);B為磁通密度(T);S為GMM棒應(yīng)變;sB為柔順系數(shù)(m2/N),T為GMM棒應(yīng)力(N/m2),λ為磁致伸縮系數(shù),λ=d/(μTsB),d為壓磁系數(shù),μT為磁導(dǎo)率(H/m),H為磁場強(qiáng)度(A/m).此外,GMM換能器的輸出特性還與預(yù)應(yīng)力、磁偏置、質(zhì)量負(fù)載以及激勵磁場等操作條件有關(guān),其中預(yù)應(yīng)力和磁偏置的影響最為顯著,成為首要的優(yōu)化條件.在優(yōu)化的操作條件下,通過合理的磁設(shè)計(jì)可以提高電磁轉(zhuǎn)換效率和減少磁通泄漏,有效減少換能器驅(qū)動電流,降低線圈發(fā)熱量,從而進(jìn)一步提高換能器的性能.2確定磁路尺寸對于指定的換能器磁設(shè)計(jì),GMM棒的質(zhì)量、尺寸、磁化曲線、激勵線圈導(dǎo)線直徑dc、電流密度J、導(dǎo)線的橫截面積Ac、密度ρ等條件已經(jīng)確定.通過改變線圈結(jié)構(gòu)尺寸的辦法,使磁路具有任意的磁路尺寸比例系數(shù)和磁路工作點(diǎn)坐標(biāo)比;采用改變線圈匝數(shù),即改變線圈厚度e的辦法,使線圈具有不同的理論磁場強(qiáng)度H.磁設(shè)計(jì)具體包括線圈設(shè)計(jì)、磁路設(shè)計(jì)、磁路損耗分析及氣隙分析等內(nèi)容.2.1電-磁轉(zhuǎn)換編碼線圈提供GMM棒所需的磁場,是電能-磁能的轉(zhuǎn)換載體.線圈的幾何尺寸是影響磁場強(qiáng)度以及電-磁轉(zhuǎn)換效率的重要因素,也是GMM執(zhí)行器體積的主要影響因素.在實(shí)際應(yīng)用中,繞制線圈的導(dǎo)線不可避免地存在歐姆損耗,因此對執(zhí)行器熱效應(yīng)也產(chǎn)生重要影響.對于如圖2所示內(nèi)徑a1、外徑a2、高度Lr、線徑dc的空心線圈,定義α=a2/a1,β=Lr/(2a1),線圈匝數(shù)N=(a2-a1)Lr/d2,則線圈中軸線上磁通密度為B=μΝΙ2a1(α-1)ln(α+√α2+β21+√1+β2).(3)B=μN(yùn)I2a1(α?1)ln(α+α2+β2√1+1+β2√).(3)式(3)中I為勵磁電流(A),μ為空氣的磁導(dǎo)率(H/m),由B=μH和N∝Lr(a2-a1)∝2β(α-1)a2121,對式(3)進(jìn)行推導(dǎo)可知H∝a1K(α,β),其中,Κ(α,β)=βln(α+√α2+β21+√1+β2).(4)在實(shí)際設(shè)計(jì)中,rr、a1根據(jù)GMM棒尺寸已基本確定,參數(shù)α、β決定了線圈外徑和長度,K(α,β)是只與線圈幾何因數(shù)有關(guān)的變量并直接影響H.K(α,β)等高線如圖3所示,對于指定的H,沿圖中直線附近選取的α、β參數(shù)值均較小,即線圈外徑和長度較小,故對于減小線圈體積,使換能器結(jié)構(gòu)緊湊化是最優(yōu)的.除優(yōu)化α、β能使線圈產(chǎn)生較高的磁場強(qiáng)度H并具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)外,提高線圈的電-磁轉(zhuǎn)換效率也很關(guān)鍵.線圈損耗功率為Ρcoillosses=ρa(bǔ)1Η2cj2.(5)式中:ρ為線圈繞線的電導(dǎo)率;c為繞線截面形狀因子,圓導(dǎo)線取π/4,方形導(dǎo)線取1.0;j為只與線圈幾何形狀有關(guān)的因子,j(α,β)=15(2πβα2-1)1/2ln(α+√α2+β21+√1+β2),(6)可以推算出j的最大值在α≈3、β≈2處,約為0.179.由圖3和式(5)可知,獲得高磁場強(qiáng)度和高電-磁轉(zhuǎn)換效率是矛盾的,在實(shí)踐中應(yīng)綜合考慮選取折中值.本文根據(jù)應(yīng)用情況最終確定的主要參數(shù)如表1所示.2.2gmm棒與gmm棒磁耦合系數(shù)的設(shè)計(jì)換能器的磁路屬于螺線管型磁路,結(jié)構(gòu)簡單,工作磁場在激勵線圈中間,磁場強(qiáng)度的高低由激勵電流大小來調(diào)節(jié).如果系統(tǒng)能夠有效冷卻或在低溫狀況下,可得到數(shù)百甚至數(shù)千kA/m的磁場.磁路設(shè)計(jì)的任務(wù)是選取合適的磁路材料、降低磁路損耗、減少磁通泄漏、提高GMM棒的磁場均勻性并改善磁機(jī)耦合系數(shù).磁機(jī)耦合系數(shù)的定義式為式中:km為磁耦合系數(shù),VT-D、Vair、Vcoil分別為GMM棒、氣隙和線圈的體積(m3),μ、μ0、μcoil分別為GMM棒、氣隙和線圈的磁導(dǎo)率(N/A2).由于GMM的磁導(dǎo)率較低,僅為空氣的5倍,在磁路設(shè)計(jì)中就必須考慮空氣的漏磁通影響,在GMM棒的兩端安裝高磁導(dǎo)率的軟磁體,能夠有效減少空氣中的磁通泄漏,使磁通盡可能通過GMM棒,同時采用長度超過GMM棒長度的線圈,能夠改善GMM棒上的磁場均勻度并減少內(nèi)部應(yīng)力,有利于提高GMM利用率,增加執(zhí)行器的輸出位移.2.3分布在相對于gmm棒時,gmm棒的磁流損耗主要在于磁流損耗,線圈通激勵電流獲得磁場,激勵電流為交流電,所建立的磁場隨電流的變化而變化.交流磁場中的GMM棒將產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗,其中渦流損耗是磁路損耗的重要因素.本文采取將磁致伸縮棒整體材料切片后用環(huán)氧樹脂黏結(jié)成疊片結(jié)構(gòu)、使用較低的操作頻率、對永磁體切縫等措施以減少渦流損耗.2.4頂柱與頂蓋的比磁導(dǎo)數(shù)在磁路計(jì)算中,氣隙磁導(dǎo)計(jì)算的準(zhǔn)確性對磁路計(jì)算結(jié)果具有很大的影響.本文所采用的磁路方案的氣隙只位于如圖4所示的頂柱與頂蓋間為保證頂柱靈活運(yùn)動而存在的公差配合間隙.頂柱與頂蓋之間的氣隙可按照兩軸向平行的圓柱體側(cè)面間的空氣磁導(dǎo)計(jì)算,在這種情況下比磁導(dǎo)為g=μ02πl(wèi)n(u+√u2-1).(8)式中:u=(r21+r22-p2)/(2r1r2).對于本設(shè)計(jì),r1和r2之間只有最小的間隙配合公差,因此可認(rèn)為p≈0、r1≈r2,則函數(shù)即比磁導(dǎo)無窮大,磁阻趨于零,從而可以忽略該氣隙的存在.3換能器網(wǎng)格模型建立的仿真有限元方法是換能器設(shè)計(jì)中比較有效的方法之一,目前大型通用有限元軟件都包含相應(yīng)的電磁分析模塊,可以方便地對換能器磁場進(jìn)行建模、計(jì)算及仿真分析,模擬GMM棒的工作輸出特性并直接仿真不同的磁路設(shè)計(jì)方案對換能器和GMM棒磁場特性的影響.忽略換能器信號線引出口和冷卻水管的影響,換能器可以簡化為軸對稱模型,并根據(jù)機(jī)械尺寸和材料特性(相對磁導(dǎo)率)進(jìn)行建模.模型采用對二維(平面和對稱軸)磁場建模的二維8節(jié)點(diǎn)的PLANE53單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其特征是基于磁向量勢能公式,適合中低頻磁場,包括靜磁學(xué)、渦流、磁場和電磁路耦合場的分析.網(wǎng)格單元的非線性磁化能力還可以用于建模B-H曲線或永磁體退磁曲線1.圖5是相應(yīng)的換能器有限元模型和網(wǎng)格劃分圖.圖6是當(dāng)在GMM棒兩端分別安裝相對磁導(dǎo)率為2000的軟鋼(0.2C)和相對磁導(dǎo)率為5000的電工純鐵(0.2雜質(zhì))作為導(dǎo)磁體時換能器磁力線分布的仿真結(jié)果.從圖6可見,當(dāng)GMM棒兩端安裝高磁導(dǎo)率的軟鐵時,分布在線圈內(nèi)的磁力線較少,即空氣和線圈中的磁通泄漏較少,線圈產(chǎn)生的磁通絕大部分通過GMM棒,表明換能器的磁路特性較好.在頂柱與頂蓋之間,磁力線幾乎全部通過兩者的公差配合面完成閉合,證實(shí)在2.4節(jié)氣隙分析中忽略氣隙影響是合理的.4換能器輸出位移在對比試驗(yàn)中,線圈外層纏繞冷卻銅管,銅管內(nèi)通水對線圈冷卻,以保證測試期間GMM棒的溫度在(25±2.5)℃內(nèi);GMM棒表面用導(dǎo)熱硅膠黏貼薄膜熱敏電阻進(jìn)行溫度監(jiān)測;在棒兩端安裝的導(dǎo)磁體上加工凹槽放置線性霍爾元件測量通過GMM棒的磁通密度;利用線性差動變壓器(LVDT)測量換能器的輸出位移.當(dāng)GMM棒兩端安裝軟鋼和電工純鐵時的電流-磁通密度(I-B)圖和電流-換能器輸出位移(I-Δl)圖分別如圖7、8所示.由于霍爾元件的檢測范圍限定(最高為±1.50),圖7中數(shù)據(jù)選取霍爾元件未飽和狀態(tài)下的試驗(yàn)記錄.由圖7可見,采用電工純鐵作為導(dǎo)磁體與采用軟鋼相比,在相同電流下的磁通密度約提高5%,這與有限元分析的結(jié)論一致,說明GMM棒兩端安裝相對磁導(dǎo)率較高的導(dǎo)磁體可以減少空氣和線圈中的磁通泄漏,使線圈產(chǎn)生的磁能得到充分的利用.在如圖8所示的換能器輸出位移圖中,采用電工純鐵作為導(dǎo)磁體的換能器與采用軟鋼作為導(dǎo)磁體的換能器相比,最大輸出位移提高至1.09倍,而當(dāng)達(dá)到軟鋼最大輸出位移時的相應(yīng)電流比為0.91.因?yàn)榫€圈熱效應(yīng)與驅(qū)動電流的平方成正比,所以線圈的發(fā)熱功率相對降至83%,降低了線圈發(fā)熱量對GMM的影響,這為增加換能器輸出位移、延長換能器持續(xù)工作時間以及降低換能器電源的功率要求提供了良好的條件.5磁路仿真分析本文研究了超磁致伸縮換能器的磁