高頻驅動超磁致伸縮致動器的磁場設計論文

超磁致伸縮材料（UMM）主要是指以Fe2化合物為基體的合金。作為高效智能材料的典型代表之一，超磁致伸縮材料有着輸出位移大、抗載能力強、磁機轉換效率高以及響應速度快等性能優勢，但是國內對超磁致伸縮致動器（UMA）的研究仍然存在以下幾個方而問題：一是較多地集中在準靜態或者低頻域的範圍內，對高頻域內的研究較為薄弱；二是設計過程中，對於超磁致伸縮致動器的磁場多以軸線方向上磁場強度為檢驗和設計標準，不利於建立精確的三維空間磁場數值計算模型。針對上述問題，本文設計出一款用於高頻的超磁致伸縮致動器，在ANSYS平台上建立了精確的勵磁線圈空間磁場模型，對磁場均勻性，以及交流驅動磁場與靜態偏置磁場進行了仿真與分析。

1。高頻驅動的超磁致伸縮致動器設計

高頻域下的UMA與工作於靜態（準靜態）的UMA存在異同。本文參考傳統靜態超磁致伸縮致動器的設計方法，同時考慮了交流電驅動引起的非線性因素，設計出高頻驅動下小物理體積、大能量輸出的超磁致伸縮致動器。

在合適的偏置磁場下，可使UMM棒工作於伸縮性能良好的線性區域。此時，當輸入為交變磁場時，超磁致伸縮棒將會產生與交變磁場同頻率的交變輸出位移，使得UMM棒體發生位移振動的運動。偏置磁場下正弦信號、方波信號驅動磁場時UMM的振動輸出原理圖。

與傳統的壓電材料相比，超磁致伸縮材料具有優良的磁彈性能，其反應速度快，響應時間極短，可達6 —10 s，而且其能量密度高達14—25 m。為此，在高頻率的驅動磁場下，將會產生極快的響應與極高的振動能量輸出，充分發揮出超磁致伸縮材料優良的材料性能。

2高頻UMA動態磁場有限元分析

2。 1靜態驅動磁場分析

通過對激勵線圈磁場模型的分析，掌握了螺線管內部磁場分佈特性，為驅動線圈設計尺寸的選擇與優化提供了理論基礎。而在具體器件應用中，磁場的分佈情況還與器件結構尺寸、漏磁情況及材料的磁導率有着密切關係，在超磁致伸縮致動器的磁場設計中，需要對這些因素進行綜合考慮。如果採用理論磁場計算方案對UMM棒內部磁場進行計算，則必須要而對理論磁場數學建模難度過大的難題，可操作性不強。為此，採用基於“場”的有限元方法完成對超磁致伸縮致動器磁場的整體設計與分析。UMA的閉合磁路主要由底座、下導磁塊、UMM棒、上導磁塊、輸出軸及殼體組成。

雖然UMM棒體為疊片式結構，但在靜態電流驅動時不存在渦流影響，可視UMM棒為軸對稱結構，忽略少量的不對稱結構影響，UMA可以看作完全軸對稱結構，在建模過程中採用軸對稱建模方法，只需建立其軸對稱截而即可模擬整個UMA的`模型，使計算量大大降低。對所建立的模型進行網格劃分、加載與求解。

從分析結果可見，驅動線圈所產生的大部分磁力線通過UMM棒，經過上導磁塊、輸出軸、外壁底座與下導磁塊形成閉合迴路。雖然輸出軸與外壁之間存在少量間隙，但由於空氣磁導率較小，漏磁極少。從磁場強度分佈來看，分佈在UMM棒上的磁場強度較大，磁能較多地用於對UMM棒的驅動，説明所設計的UMA磁路合理。

2。 2交流驅動磁場設計有限元分析與激勵頻率討論

在交流驅動磁場下，電阻率將會在UMM棒中產生渦流，而渦流將會對UMM棒產生渦流熱效應與集膚效應影響，渦流熱效應通過温度變化影響超磁致伸縮材料的各項性能，集膚效應則會引起超磁致材料內部磁場非線性問題。給出了不同驅動頻率的電流下UMA磁場強度分佈狀況。

從結果可以看出，在交流電驅動下，UMM棒中磁場分佈具有如下特點：1）在交流電流驅動下，沿着UMM棒體徑向方向上，呈現出靠近軸線方向上磁場強度小，遠離軸線處的磁場強度大的特點；2）隨着驅動頻率逐漸增大，分佈在UMM棒體上的磁場強度整體逐漸減小。在越靠近軸線處，磁場強度降低幅度更大，當驅動頻率達到600 H2時，軸線處磁場強度減小到零，而遠離軸線靠近棒體外徑處，磁場強度變化量很小。

UMM棒體內磁場分佈特點，證明了交流驅動時磁場分佈集膚效應導致UMM棒中各部分伸長不均勻，使得UMM棒外表伸長量大於內部伸長量，進而引起UMM棒芯部出現應力集中現象，從而影響UMM使用壽命與材料性能。為了充分發揮超磁致伸縮材料的性能優勢，將UMM棒體沿軸向切割為多層疊片，使用絕緣的環氧樹脂對各疊片進行粘貼，達到抑制渦流效應的作用。

3偏置磁場設計及優化

在實現偏置磁場的仿真過程中，採用圓筒永磁鐵、圓柱永磁鐵及偏置線圈組合作用或單個作用的多種不同設計方案。UMA結構優劣評判及最優偏置磁場設計方案見表

4結論

1）以超磁致伸縮驅動棒尺寸、偏置驅動磁場大小及交變磁場幅值基本參數為基礎，完成應用高頻驅動的超磁致伸縮致動器設計。

2）在ANSYS平台上建立了用於的高頻驅動勵磁線圈的磁場強度模型，完成了UMA靜態磁場仿真，對不同激勵頻率下UMA磁場分佈進行了討論。

3）對不同驅動頻率下，徑向方向上磁場強度進行均勻度分析。分析結果表明，驅動頻率越大，驅動磁場的徑向均勻性越差。