王振宇,朱玉川
(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,江蘇 南京 210016)
智能材料作為一種新型功能材料,是一種重要的能量轉(zhuǎn)換器件,而利用智能材料作為驅(qū)動的執(zhí)行器由于具有高輸出力及可靠性等特點(diǎn),在飛機(jī)作動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)燃油噴射及直線電機(jī)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用[1-4]。
超磁致伸縮材料(GMM)作為智能材料的一種,具有應(yīng)變大,響應(yīng)快,能量密度高等特性[5-6],因此,研究以GMM作為驅(qū)動的超磁致伸縮執(zhí)行器(GMA)在高性能電能-機(jī)械能與電能-液壓能轉(zhuǎn)換器中具有重要應(yīng)用價值和前景。
本文針對集成式磁致伸縮電靜液作動器應(yīng)用需求,對擬應(yīng)用于磁致伸縮電靜液作動器中的GMA進(jìn)行分析。通過試驗和仿真得到影響GMA靜態(tài)輸出性能的各個因素,為優(yōu)化和提高GMA的性能提供理論基礎(chǔ)。
圖1為所設(shè)計的GMA整體結(jié)構(gòu),它由線圈、線圈骨架、GMM棒及外殼組成[7]。通過對線圈施加交變電流,從而產(chǎn)生交變磁場來實現(xiàn)GMM棒的往復(fù)運(yùn)動。
圖1 GMA結(jié)構(gòu)原理圖
由于GMA通過線圈來產(chǎn)生磁場,對GMM棒進(jìn)行磁化并產(chǎn)生位移,因此,對GMM棒驅(qū)動磁場的研究是獲得高性能電-機(jī)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)和前提。
通過仿真軟件(ANSYS Workbench)中Maxwell3D模塊對GMA進(jìn)行建模,仿真選取GMM棒的長度為80 mm。GMA的磁場模型及有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。
圖2 GMA仿真模型建立
通過建立GMA模型,對不同線圈長度下GMM棒的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析,分析結(jié)果如圖3所示。由圖可知,在施加相同驅(qū)動電流時,若線圈長度大于或小于GMM棒長度,線圈內(nèi)部的磁場均呈現(xiàn)中間高、兩端低的趨勢;而當(dāng)線圈長度等于GMM棒長度時,其軸向磁場分布較均勻。不均勻的磁場分布會使GMM棒各部分伸長量不同,影響其性能發(fā)揮,因此,在設(shè)計GMA時盡量使線圈長度與GMM棒長度相等。
圖3 不同線圈長度對磁場強(qiáng)度的影響
圖4為不同軸向位置處GMM棒的徑向磁場分布,其中z軸為磁致伸縮棒的軸線方向(見圖2)。由圖4可看出,z軸各個位置處的徑向磁場強(qiáng)度分布較均勻。因此,在分析時,可將徑向磁場強(qiáng)度視為均勻分布,即GMA徑向磁場分布相對于直徑變化基本保持恒定。坐標(biāo)軸z=10 mm,20 mm,30 mm表示距z軸零點(diǎn)的不同截面。
圖4 GMM棒徑向磁場分布
圖5為GMA測試平臺的原理圖。實驗中,對激勵線圈施加交變電流,感應(yīng)線圈將GMA內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度傳遞到磁通計進(jìn)行測量,同時,激光位移傳感器可獲取GMA輸出端位移,其測量結(jié)果可通過示波器進(jìn)行讀取。實驗選取的超磁致伸縮棒長度為80 mm,線圈匝數(shù)為1 000匝。
圖5 GMA測試平臺原理圖
所提供的GMM棒有切片式和非切片式兩種,而這兩種處理方式及線圈骨架材料的選取對GMM的輸出性能有較大的影響。利用切片和非切片的GMM棒及尼龍和鋁制骨架進(jìn)行實驗測試,繪制磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值隨驅(qū)動頻率的變化如圖6所示。
圖6 骨架材料與GMM棒切片對輸出性能的影響
由圖6可知,骨架材料相同時,切片式的性能更好;相同處理方式時,尼龍骨架磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值更大。這是由于隨著驅(qū)動頻率的增加,線圈產(chǎn)生的高頻交變磁場會使鐵磁材料產(chǎn)生渦流,同時線圈自身也會產(chǎn)生渦流。而渦流會阻礙磁場的增加,并產(chǎn)生熱量。這些均為系統(tǒng)的能量損失,使得GMA的輸出性能下降。綜合考慮,實驗時應(yīng)選用尼龍骨架并對GMM棒進(jìn)行切片處理。
由磁致伸縮的基本特性可知,合適的預(yù)壓力會改善磁致伸縮率的大小,因此,需要對預(yù)壓力的影響進(jìn)行實驗和分析。碟簧產(chǎn)生預(yù)壓力,過大的碟簧剛度不能使輸出力保持恒定,過小的碟簧剛度不足以提供令活塞快速復(fù)位的彈簧力。在保證系統(tǒng)快速響應(yīng)的前提下,應(yīng)使碟簧剛度滿足:
(1)
式中:kd為碟簧剛度;ω為系統(tǒng)最低角頻率;ms,mp分別為輸出桿和活塞的質(zhì)量。
確定了碟簧剛度后,即可對預(yù)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過實驗研究得到不同電流下預(yù)壓力與GMM的輸出位移間的關(guān)系如圖7所示。
圖7 不同電流下預(yù)壓力與輸出位移的關(guān)系
由圖7可知,預(yù)壓力越大,GMM的輸出位移越大,當(dāng)預(yù)壓力超過一定值時(700 N),輸出位移逐漸減小。結(jié)果表明,執(zhí)行器的預(yù)壓力需調(diào)定在一個最佳范圍內(nèi)。由圖還可知,在500~800 N時,GMM的輸出位移最大。因此,在設(shè)計GMA時,為確保GMA的輸出性能最佳,需要先確定碟簧剛度后再對預(yù)壓力進(jìn)行調(diào)定,以確保GMA工作于最佳狀態(tài)。
本文通過對GMA進(jìn)行實驗和部分仿真分析,得到影響超磁致伸縮執(zhí)行器輸出性能的幾個關(guān)鍵影響因素,為設(shè)計執(zhí)行器結(jié)構(gòu)提供了準(zhǔn)則。綜上所述,可得:
1) 驅(qū)動線圈的長度應(yīng)與GMM棒長度相等,此時的GMM棒的軸向磁場可以近似視為均勻分布,而在不同軸向位置處GMM棒的徑向磁場分布也相差不大,因此,可認(rèn)為也是均勻分布的。
2) GMM材料應(yīng)進(jìn)行切片處理,線圈骨架避免選取金屬材料,這樣可減小渦流的產(chǎn)生,減少發(fā)熱量,減小系統(tǒng)的功率損失。
3) 在一定范圍內(nèi),隨著預(yù)壓力的增加,GMA輸出性能有所提升,但超過最佳預(yù)壓力以后,其輸出性能隨著預(yù)壓力的增加而降低。