稀土超磁致伸缩执行器优化设计及控制建模

　　0　引言

　　超磁致伸缩执行器的设计涉及电、磁、机械及热等方面的问题,其驱动特性与应用场合有关,如微位移执行器主要研究其直流驱动的特性、开关阀等主要研究其脉冲驱动特性、振动器等主要研究其正弦波和方波驱动特性。本文就超磁致伸缩执行器的线圈设计、磁路设计、预压力设计及热设计等问题进行探讨,并设计了一超磁致伸缩执行器原型,建立了超磁致伸缩执行器电压-位移的传递函数,并对其频响特性进行了仿真和实验测量。

　　1　超磁致伸缩棒尺寸估算

　　在超磁致伸缩执行器设计中,应根据执行器对输出力及输出位移的要求确定超磁致伸缩棒的尺寸。超磁致伸缩棒的输出位移Δl和输出力F分别与其长度和横截面积有关。其中,超磁致伸缩棒的长度和横截面积可由下式估算:

　　sB为柔顺系数;λ为磁致伸缩率;d为压磁系数;μT为磁导率;H为磁场强度;T为磁级伸缩棒受到的压力。

　　2　线圈设计

　　线圈为超磁致伸缩棒提供所需的磁场,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[1],也是超磁致伸缩执行器体积的主要影响因素。由于实际应用中,线圈上缠绕的导线不可避免地有欧姆损耗,因此对执行器的温度也将产生重要影响。随着高温超导材料的发展,可能导致超导线圈的应用,将极大地减小线圈设计的难度。

　　线圈结构如图1所示,

　　其中,α为线圈内外径比,α=a2/a1;β为线圈长度与内径比,β=lr/2a1;N为线圈匝数。

　　空心螺线管中轴线上磁感应强度公式[2]如下:

　　实际设计中,a1根据超磁致伸缩棒的尺寸已基本确定,K(α,β)是一个只与线圈几何因数有关的变量,在Matlab中所画出的等高线如图2所示。可以看出,α、β在梯度直线附近取值对于产生磁场强度是最优的。

　　除使线圈产生尽可能大的磁场外,如何提高线圈电-磁转换效率也很关键。文献[3]中给出了螺线管线圈损耗功率Pc的表达形式:

　　由式(5)可知,G越大,线圈损耗功率Pc越小,在Matlab中画出其等高线如图3所示。可以看出,G的最大值约为0.179,这时,α≈3,β≈2。从图2和图3中可以看出,获得大的磁场强度和高的电-磁转换效率是有一定矛盾的,实际设计过程中,应综合考虑,选取折中值。

　　3　磁路设计

　　磁路设计包括偏置磁场设计、如何减少磁泄漏、改善磁致伸缩棒所处磁场的均匀性、提高磁机耦合效率等方面。