超磁致伸缩致动器优化设计与特性测试

超磁致伸缩致动器优化设计与特性测试崔旭，何忠波，李冬伟，李玉龙，薛光明（军械工程学院一系，河北石家庄050003）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1引言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（Giant Magnetostrictive 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[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[2]。

2致动器及线圈基本结构2.1GMM 基本特性实践证明，国产超磁致伸缩材料在10MPa 的预压应力下具有较高的电机转换特性，准8×100mm 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）kA/m 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。

磁致伸缩应变λ（p p m ）15001000500磁场强度H （kA/m ）4080120160图1磁致伸缩材料应变曲线Fig.1Strain Curve of GMM当为GMM 施加连续的交变磁场时，GMM 在正-反磁场作用摘要：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。

实验表明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。

关键词：超磁致伸缩致动器；线圈；优化设计；特性测试中图分类号：TH12；TM923.62文献标识码：A文章编号：1001-3997（2013）01-0032-03Design and Characteristic Test of I Giant Magnetostrictive ActuatorCUI Xu ，HE Zhong-bo ，LI Dong-wei ，LI Yu-long ，XUE Guang-ming（NO.1Department ，Ordance Engineering College ，Hebei Shijiazhuang 050003，China ）Abstract ：The designment of giant magnetostrictive actuator and the optimization of its solenoid coil and enameled wire are presented and the static characteristic and dynamic characteristic of GMA is tested here.The structure of GMA is designed based on the analysis of GMM features and the method of producing bias magnetic field is determined.The magnetic field distribution along the axis and electro-magnetic conversion efficiency are studied when the size parameter are varied ，from which the solenoid coil parameter is optimally designed.The model of solenoid coil ’s power consumption is set up to determine the enameled wire parameter.The result of experiment incarnates fine static and dynamic characteristic of GMA and consistency between design parameter and experimental value ，which shows the rationality of the optimal design.Key Words ：Giant Magnetostrictive Actuator ；Solenoid Coil ；Optimal Design ；Test of CharacteristicMachinery Design ＆Manufacture机械设计与制造第1期2013年1月32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[3]。

为了消除倍频现象，通常为GMM 预先施加一恒定的偏置磁场，偏磁场的一般为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I =I b +I a sin （2πft ）的电流时，偏置恒定电流I b 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场。

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Φ10×75mm 。

123456781.顶杆2.端盖3.碟片弹簧4.GMM5.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.2Structural 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d w 、线圈的内径R c 1、线圈外径R c 2以及线圈长L c 。

由于GMM 棒和线圈骨架的限制，R c 1=15。

L cmnRcxΦfRc 1Rc 2x图3线圈结构示意图Fig.3Structural 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，所以磁场均匀性是评价励磁线圈性能好坏的关键指标之一。

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 ，那么轴线上距螺线管中心为x 处产生磁场强度为[4]：H=NI 2L cx +L c 2R 2cx +x +Lc2姨姨2姨-x -L c 2R 2cx +x -Lc2姨姨2姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨（1）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 =NI2L c1R cx 姨姨2+L c2姨姨2姨（2）那么就有：H H max=1γ2+14姨姨姨χ+0.51γ2+（χ+0.5）2姨-χ-0.51γ2+（χ-0.5）2姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨（3）其中，γ=L c2R cx ，χ=x L c。

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场均匀度，将GMM 置于该区段即可保证GMM 所受磁场均匀，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。

H /H m a x10.90.80.70.60.5χγ105-0.50.5图4不同尺寸下线圈轴线磁场强度分布Fig.4Magnetic 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[5-6]：G M （φ，γ）=12π姨γφ2-1姨ln φ+φ2+γ2姨1+1+γ2姨（4）其中，R c 2/R c 1=φ，L c /2R c1=γ。

均匀电流密度线圈的效率系数G M （φ，γ）是一个与线圈具体尺寸无关的系数，如图5所示。

φ取（2.2～5），γ取（1.3～3）范围内线圈电磁转换效率最高。

G m a x0.140.120.10.080.060.040.020543212468γψ图5线圈效率系数图Fig.5The Map of Electro-Magnetic Conversion Efficiency比较式（3）及（4），大电磁转换率和高磁场均匀度是互相矛盾的，所以在设计时应在保证电磁转换率G M （φ，γ）较高的同时尽量增加均匀度，也即增加γ的取值。

取：第1期崔旭等：超磁致伸缩致动器优化设计与特性测试33R c 2/R c 1=φ=3，L c /2R c1=γ=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 所受磁场均匀度在80%以上，应当有：L/L c =0.85（6）线圈内径R c 1=15mm ，依据公式（5）计算得R c 2=45mm ；GMM长度为L =75mm ，依据公式（6）计算得L c =88mm 。

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，线圈中通入交变电流后的阻抗表达式为[7]：Z =2R c 1+Nd 2wcg N 2π2Ω2w +N 2πf Ω2n μnd w+k c 2N 2π4f 2μ02μ2s 42R c 1+Nd2wc2姨（7）式（7）中各参数取值，如表1所示。