基于超磁致伸缩材料高频微小泵的建模

　　0 前言

　　液压泵是液压传动系统中的动力机构,是能量转换元件。传统的液压泵大多由电动机、柴油机等原动机驱动,将输入的机械能转换成油液的压力能,并输出到系统中去,为执行元件提供动力。它是液压传动系统的核心元件,其性能好坏直接影响到系统是否正常工作。随着军事、航天、医疗和机器人等技术的迅猛发展,要求动力机构的输出微量、精确、快速、可控。显然,传统的机械驱动与传动方式难以满足上述要求,为了解决上述问题,必须提高机械设备动力机构的性能和精度。利用新型功能材料驱动动力机构,可提高液压系统精度和频响。

　　超磁致伸缩材料(Giant magnetostrictive material,简写为GMM)是继稀土永磁、稀土磁光和稀土高温超导材料之后的又一种重要的新型功能材料。在一定的磁场作用下,该材料与传统的镍基或铁基磁致伸缩材料相比,会产生大得多的长度或体积变化,因此而得名。目前,国外已应用于流体控制元件的开发,并取得一定进展。

　　1 结构与原理

　　综合GMM基本特性以及GMM转换器的设计理论,兼顾在高频微小泵中的实际结构,将GMA与高频微小泵设计为一体,这种结构形式更为紧凑且便于控制。基于GMM的高频微小泵的结构原理,如图1所示,预压弹簧和调节螺钉给予GMM棒施加一定的预压力,使其工作在线性段,并可增加磁致伸缩应变,提高GMA磁能向机械能的转换效率,同时调节螺钉可以方便地对泵腔容积和预压弹簧的预压力进行调节。前端盖、缸体、GMM棒、输出杆和气隙共同组成闭合磁路。泵腔与输出杆之间有良好的配合精度,使输出杆在泵腔内作往复运动时基本没有油液泄漏。

　　当线圈中通入一定的电流时,在磁场的作用下GMM棒产生一定的伸缩位移,带动输出杆做往复运动。当输出杆右移时,泵腔容积减小,在压力作用下排油单向阀打开,吸油单向阀关闭,泵完成一次排油的过程。当输出杆左移时,泵腔容积增加,产生局部真空,在大气压的作用下,吸油单向阀开启,同时排油单向阀关闭,泵完成一次吸油的过程。

　　2 数学模型

　　假定有关GMM特性参数不随激励磁场水平而变,即相关参数按常数处理;激励线圈电感取为常数; GMM工作在非谐振状态;不计GMA输出顶杆表面产生磁场力影响。

　　GMM转换器磁-机耦合过程及高频微小泵的原理如图2所示。

　　根据基尔霍夫定理,其电路方程为

　　式中i—输入电流;

　　t—时间。

　　这里,磁通

　　R_m为外磁路磁阻,这里忽略导磁体的磁阻,只计GMM棒的磁阻,则可得