超磁致伸缩换能器的电磁性能优化

超磁致伸缩换能器的电磁性能优化

当铁磁体发生在磁场的尺寸变化时，被称为磁速扩展。传统的磁速膨胀材料包括铁、铜等，其磁速膨胀系数非常小。例如，铁为2.110-5，铜为4.610-5。在20世纪70年代，在室温下发现了稀土金属化合物nb1-dxyxfe2-y。具有较高的磁速扩展性能、低磁极的各向异性和改进的机械性能。在低磁速中，磁速扩展的系数最高，达到210-3。这是传统磁速扩展材料的10倍到100倍，称为超磁速扩展材料（pmm）。代表性材料为t0.3dy0.7f2。当mm在磁体作用下发生位移时，或在交变磁体作用下，由于变形和缩短，造成振动或声波，电磁能被转换成机器或声音能。vmm也具有压磁作用，由于外部阻力，改变材料的硬化状态，可以用作传感器。GMM的传感和致动功能的有机结合,形成可感知力、位移、振动、声、磁等信号并进而根据需要制成相应的智能结构或智能系统.基于上述原理,GMM换能器在声纳、电声换能器、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、特种加工等领域具有广泛的应用前景.因为GMM的磁致伸缩性能直接取决于激励磁场特性,所以GMM换能器中的励磁线圈和磁路的设计方案将对换能器的性能产生直接影响.本文研究了线圈几何参数和磁路布置方案对工作磁场的影响,并进行了有限元分析和试验分析,提出了GMM换能器的磁路设计和优化方法.1gmm棒的原理GMM换能器作为能量转换的执行元件,其设计对能量转换效率起着决定性作用.本文研究用于低频大功率振动器的GMM换能器,采用如图1所示的结构.外筒、顶盖、底座和导磁体以及GMM棒形成闭合的磁路;环绕线圈的圆环形永磁体的磁化强度确定了换能器的磁偏置水平,并通过线圈的偏置直流电进行调整;预应力螺塞和顶盖内的碟簧提供对GMM棒可调节的机械预应力;可编程信号发生器(泰克AFG310)产生的信号经线性功率放大器(Techron5050)放大后输入驱动线圈,电流的频率和幅值可以相应改变作用于GMM棒上磁场的频率和强度;GMM棒产生的应变通过顶柱输出到与其连接的可变质量负载上.换能器的输出位移和输出力与GMM棒的几何尺寸有关,可按下式估算:式中:Δl为换能器的输出位移(mm);λs为饱和磁致伸缩系数;l为GMM棒长度(mm);F为换能器输出力(N);Ar为GMM棒横截面积(m2);B为磁通密度(T);S为GMM棒应变;sB为柔顺系数(m2/N),T为GMM棒应力(N/m2),λ为磁致伸缩系数,λ=d/(μTsB),d为压磁系数,μT为磁导率(H/m),H为磁场强度(A/m).此外,GMM换能器的输出特性还与预应力、磁偏置、质量负载以及激励磁场等操作条件有关,其中预应力和磁偏置的影响最为显著,成为首要的优化条件.在优化的操作条件下,通过合理的磁设计可以提高电磁转换效率和减少磁通泄漏,有效减少换能器驱动电流,降低线圈发热量,从而进一步提高换能器的性能.2确定磁路尺寸对于指定的换能器磁设计,GMM棒的质量、尺寸、磁化曲线、激励线圈导线直径dc、电流密度J、导线的横截面积Ac、密度ρ等条件已经确定.通过改变线圈结构尺寸的办法,使磁路具有任意的磁路尺寸比例系数和磁路工作点坐标比;采用改变线圈匝数,即改变线圈厚度e的办法,使线圈具有不同的理论磁场强度H.磁设计具体包括线圈设计、磁路设计、磁路损耗分析及气隙分析等内容.2.1电-磁转换编码线圈提供GMM棒所需的磁场,是电能-磁能的转换载体.线圈的几何尺寸是影响磁场强度以及电-磁转换效率的重要因素,也是GMM执行器体积的主要影响因素.在实际应用中,绕制线圈的导线不可避免地存在欧姆损耗,因此对执行器热效应也产生重要影响.对于如图2所示内径a1、外径a2、高度Lr、线径dc的空心线圈,定义α=a2/a1,β=Lr/(2a1),线圈匝数N=(a2-a1)Lr/d2,则线圈中轴线上磁通密度为B=μΝΙ2a1(α-1)ln(α+√α2+β21+√1+β2).(3)B=μNI2a1(α−1)ln(α+α2+β2√1+1+β2√).(3)式(3)中I为励磁电流(A),μ为空气的磁导率(H/m),由B=μH和N∝Lr(a2-a1)∝2β(α-1)a2121,对式(3)进行推导可知H∝a1K(α,β),其中,Κ(α,β)=βln(α+√α2+β21+√1+β2).(4)在实际设计中,rr、a1根据GMM棒尺寸已基本确定,参数α、β决定了线圈外径和长度,K(α,β)是只与线圈几何因数有关的变量并直接影响H.K(α,β)等高线如图3所示,对于指定的H,沿图中直线附近选取的α、β参数值均较小,即线圈外径和长度较小,故对于减小线圈体积,使换能器结构紧凑化是最优的.除优化α、β能使线圈产生较高的磁场强度H并具有结构紧凑的特点外,提高线圈的电-磁转换效率也很关键.线圈损耗功率为Ρcoillosses=ρa1Η2cj2.(5)式中:ρ为线圈绕线的电导率;c为绕线截面形状因子,圆导线取π/4,方形导线取1.0;j为只与线圈几何形状有关的因子,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处,约为0.179.由图3和式(5)可知,获得高磁场强度和高电-磁转换效率是矛盾的,在实践中应综合考虑选取折中值.本文根据应用情况最终确定的主要参数如表1所示.2.2gmm棒与gmm棒磁耦合系数的设计换能器的磁路属于螺线管型磁路,结构简单,工作磁场在激励线圈中间,磁场强度的高低由激励电流大小来调节.如果系统能够有效冷却或在低温状况下,可得到数百甚至数千kA/m的磁场.磁路设计的任务是选取合适的磁路材料、降低磁路损耗、减少磁通泄漏、提高GMM棒的磁场均匀性并改善磁机耦合系数.磁机耦合系数的定义式为式中:km为磁耦合系数,VT-D、Vair、Vcoil分别为GMM棒、气隙和线圈的体积(m3),μ、μ0、μcoil分别为GMM棒、气隙和线圈的磁导率(N/A2).由于GMM的磁导率较低,仅为空气的5倍,在磁路设计中就必须考虑空气的漏磁通影响,在GMM棒的两端安装高磁导率的软磁体,能够有效减少空气中的磁通泄漏,使磁通尽可能通过GMM棒,同时采用长度超过GMM棒长度的线圈,能够改善GMM棒上的磁场均匀度并减少内部应力,有利于提高GMM利用率,增加执行器的输出位移.2.3分布在相对于gmm棒时,gmm棒的磁流损耗主要在于磁流损耗,线圈通激励电流获得磁场,激励电流为交流电,所建立的磁场随电流的变化而变化.交流磁场中的GMM棒将产生涡流损耗和磁滞损耗,其中涡流损耗是磁路损耗的重要因素.本文采取将磁致伸缩棒整体材料切片后用环氧树脂黏结成叠片结构、使用较低的操作频率、对永磁体切缝等措施以减少涡流损耗.2.4顶柱与顶盖的比磁导数在磁路计算中,气隙磁导计算的准确性对磁路计算结果具有很大的影响.本文所采用的磁路方案的气隙只位于如图4所示的顶柱与顶盖间为保证顶柱灵活运动而存在的公差配合间隙.顶柱与顶盖之间的气隙可按照两轴向平行的圆柱体侧面间的空气磁导计算,在这种情况下比磁导为g=μ02πln(u+√u2-1).(8)式中:u=(r21+r22-p2)/(2r1r2).对于本设计,r1和r2之间只有最小的间隙配合公差,因此可认为p≈0、r1≈r2,则函数即比磁导无穷大,磁阻趋于零,从而可以忽略该气隙的存在.3换能器网格模型建立的仿真有限元方法是换能器设计中比较有效的方法之一,目前大型通用有限元软件都包含相应的电磁分析模块,可以方便地对换能器磁场进行建模、计算及仿真分析,模拟GMM棒的工作输出特性并直接仿真不同的磁路设计方案对换能器和GMM棒磁场特性的影响.忽略换能器信号线引出口和冷却水管的影响,换能器可以简化为轴对称模型,并根据机械尺寸和材料特性(相对磁导率)进行建模.模型采用对二维(平面和对称轴)磁场建模的二维8节点的PLANE53单元进行网格划分,其特征是基于磁向量势能公式,适合中低频磁场,包括静磁学、涡流、磁场和电磁路耦合场的分析.网格单元的非线性磁化能力还可以用于建模B-H曲线或永磁体退磁曲线1.图5是相应的换能器有限元模型和网格划分图.图6是当在GMM棒两端分别安装相对磁导率为2000的软钢(0.2C)和相对磁导率为5000的电工纯铁(0.2杂质)作为导磁体时换能器磁力线分布的仿真结果.从图6可见,当GMM棒两端安装高磁导率的软铁时,分布在线圈内的磁力线较少,即空气和线圈中的磁通泄漏较少,线圈产生的磁通绝大部分通过GMM棒,表明换能器的磁路特性较好.在顶柱与顶盖之间,磁力线几乎全部通过两者的公差配合面完成闭合,证实在2.4节气隙分析中忽略气隙影响是合理的.4换能器输出位移在对比试验中,线圈外层缠绕冷却铜管,铜管内通水对线圈冷却,以保证测试期间GMM棒的温度在(25±2.5)℃内;GMM棒表面用导热硅胶黏贴薄膜热敏电阻进行温度监测;在棒两端安装的导磁体上加工凹槽放置线性霍尔元件测量通过GMM棒的磁通密度;利用线性差动变压器(LVDT)测量换能器的输出位移.当GMM棒两端安装软钢和电工纯铁时的电流-磁通密度(I-B)图和电流-换能器输出位移(I-Δl)图分别如图7、8所示.由于霍尔元件的检测范围限定(最高为±1.50),图7中数据选取霍尔元件未饱和状态下的试验记录.由图7可见,采用电工纯铁作为导磁体与采用软钢相比,在相同电流下的磁通密度约提高5%,这与有限元分析的结论一致,说明GMM棒两端安装相对磁导率较高的导磁体可以减少空气和线圈中的磁通泄漏,使线圈产生的磁能得到充分的利用.在如图8所示的换能器输出位移图中,采用电工纯铁作为导磁体的换能器与采用软钢作为导磁体的换能器相比,最大输出位移提高至1.09倍,而当达到软钢最大输出位移时的相应电流比为0.91.因为线圈热效应与驱动电流的平方成正比,所以线圈的发热功率相对降至83%,降低了线圈发热量对GMM的影响,这为增加换能器输出位移、延长换能器持续工作时间以及降低换能器电源的功率要求提供了良好的条件.5磁路仿真分析本文研究了超磁致伸缩换能器的磁