RE-GMSM致动器精密位移的有限元分析

　　RE-GMSM (Rear Earth-GiantMagneto StrictiveMaterials,稀土超磁致伸缩材料)致动器是利用大磁致伸缩材料的磁致伸缩性能,获得机械位移与输出力的机电转换装置,可广泛应用于精密位移控制。作为大位移致动器使用的RE-GMSM材料通常为TbDyFe(铽镝铁)合金,其伸缩率正比于磁场强度,同时与材料所受压力有关[1-2]。在现有生产条件下,每根TbDyFe棒产品的输出曲线可能会有差异,因此需要研究准确快速的分析计算方法,以求得RE-GMSM致动器精确位移。

　　1　RE-GMSM致动器

　　RE-GMSM致动器简单描述如下。工作所需的交变磁场由螺线管通过交变电流产生。为了使励磁电流产生的磁动势最大限度地作用于磁致伸缩棒,设计一个高导磁闭合磁回路。导磁材料有足够的强度与刚度,以保证整体结构刚度要求。RE-GMSM棒在压应力状态下伸缩率比自由状态更大,且RE-GMSM棒的拉伸强度很低、几乎不能承受弯矩和冲击[1-2]。由蝶形弹簧对其施加一个预应力,使其伸缩率提高并保证其不承受弯矩。采用聚四氟乙烯材料作为线圈架,既能隔磁、隔热,同时对磁致伸缩棒起机械保护作用,使之可以自由伸缩,但不受拉、受弯。图1大致表示了RE-GMSM致动器结构[3-4]。

　　2　线圈磁场的有限元分析

　　磁致伸缩材料严格按其磁场强度-伸缩率关系曲线(H-S关系)输出位移,而有限长线圈中,磁场分布是不均匀的[5-6]。用有限元分析方法可对各种不均匀磁场做出精确分析,作者采用ANSYS软件对所述致动器中的磁场作了较全面的分析。

　　2·1　有限元分析流程

　　用ANSYS对致动器磁场进行有限元分析的步骤为:建立模型→定义单元类→定义材料性能→指定区域材料属性→划分单元类型→划分网格→指定边界条件和加载→求解→后处理[7]。

　　建模包含线圈、线圈架、磁回路、TbDyFe材铁芯的结构、尺寸、材料。所建模型还考虑了磁回路中可能存在的气隙。之后对上述结构均匀划分网格。加载指定义线圈匝数、线圈电流。如取线圈匝数2000,线圈电流2A时,求解得到磁力线如图2示,可以直观致动器磁力线分布,大致判断漏磁部位与程度。

　　2·2　部分分析结果

　　(1)磁场强度

　　从场强分布图(图3)可看出作用在TbDyFe棒上的磁力不是均匀分布的。TbDyFe棒长100 mm、线圈长120 mm的设计结构,使芯棒两端各有15%的长度不在设计场强作用下,但理论分析常视TbDyFe棒上作用着均匀磁场,因此会造成伸缩量计算误差,TbDyFe棒长越小这一误差越大。

　　磁回路中气隙存在会在很大程度上影响磁伸棒的场强分布,实际结果是作用在芯棒上的场强将小于不考虑气隙情况。考虑气隙后,场强分布的解析分析变得较为复杂。上述分析可大致得到场强分布,为优化设计磁场、使其更加均匀提供参考[7]。