超磁致伸缩驱动器工作温升抑制的有限元分析

　　0　引　言

　　超磁致伸缩驱动器(GMA)具有输出力大、位移分辨率高、响应快等诸多优点[1-2],在精密定位和超精密加工等领域已显示出广阔的应用前景.超磁致伸缩驱动器在工作时,驱动线圈的发热、超磁致伸缩棒的磁致损耗等均可导致超磁致伸缩棒温度升高,而温度对超磁致伸缩材料的伸缩特性影响很大[3].因此,在超磁致伸缩驱动器的设计制作过程中,必须考虑如何减少或消除由温升导致的驱动器输出精度的影响.文献[4]介绍了几种补偿及抑制GMA热变形的方法,包括强制冷却和被动补偿等.但是目前关于GMA的热设计普遍缺乏定量分析,因此,对于GMA发热导致的温升进行有效计算是非常必要的.

　　本文在分析温升对GMA输出精度影响的基础上,针对大功率、长时间工作的使用场合,引入了有限元分析方法对所设计的GMA进行热分析.作者所在研究小组共设计了两组GMA,分别为不带温控系统的GMA和带强制水冷温控系统的GMA.通过热分析得到了两组GMA在电流为4 A时的温度场分布,从而可用于指导热设计.

　　1　GMA工作温升对其特性的影响

　　1.1　GMA工作原理

　　超磁致伸缩驱动器主要包括超磁致伸缩棒、输出轴、壳体、底座、电磁线圈、套筒、预压弹簧、调节螺母等部件.其中,输出轴、壳体、底座一般采用导磁材料,并和超磁致伸缩棒形成闭合磁路;电磁线圈和套筒组成驱动源装置;预压弹簧和调节螺母构成组合预压机构.

　　GMA的工作原理为当驱动器线圈内有电流通过时,将产生一个驱动磁场;在驱动磁场的作用下,GMM棒会伸长,从而可以推动输出轴移动,实现位移输出,使电磁能转变为机械能.

　　1.2　GMA工作温升对其特性的影响

　　引起GMA内部温度升高的因素主要有通电驱动线圈的发热、机械滞回效应及磁致棒伸缩时与周围部件的摩擦生热等[5].

　　温度的升高对GMA的输出精度有很大影响,主要体现在以下几个方面:

　　(1)工作温度对GMM棒磁致伸缩系数的影响

　　文献[6]描述了不同温度下所对应的超磁致伸缩系数,如图1所示.

　　图1显示了在13. 8MPa、41. 4MPa预压力和不同磁场强度作用下,工作温度对GMM伸缩系数的影响.从图中可以看出,在一定的预压力下,当温度从室温(20℃)开始上升时,磁致伸缩系数上升较快;当温度在40~50℃时,不同磁场强度的GMM都具有较大的磁致伸缩值;随着工作温度的进一步升高,磁致伸缩量开始缓慢减小.

　　(2)温升引起GMA各部件的热膨胀变形

　　温升还会导致GMM棒及GMA其它部件的热变形.国产GMM的热膨胀系数为1. 2×10-5/℃,而GMM磁致伸缩系数在10-3数量级,所以由温升导致的GMM棒的热伸长将严重影响驱动器的输出精度.在大功率、长时间的工作场合中,壳体、输出轴、底座等其它部件的热膨胀变形也不可忽略[5].