超磁致伸缩驱动器磁场输出位移的有限元分析

　　随着精密测量和精密加工技术的发展,人们对环境的振动提出了极其严格的要求[1]。而微制造平台的环境振动干扰是复杂的,其振动频率范围为0~100Hz,这就要求隔振系统不仅对高频扰力有良好的隔振效果,而且对低频和超低频扰力也能进行有效的隔离。微位移技术是精密加工和超精密加工的关键技术之一,被广泛应用于超精密加工中,以调整工具、保证工件的加工尺寸精度和表面质量。

　　与压电材料驱动器、空气驱动器、电磁驱动器等相比,超磁致伸缩驱动器具有性能稳定、漂移小、行程大、驱动力大等特点,更适合于用作主动微振动控制系统的位移驱动器。因为超磁致伸缩驱动器采用超磁致伸缩材料(giantmagnetostrictivemateria,l简写为GMM)作为核心部件,该类材料具有大的磁致伸缩应变、快的响应速度、很强的带载能力及低的磁致伸缩各向异性等优点,同时由其构成的微驱动器结构简单、体积小。

　　超磁致伸缩微驱动器的输出位移和输出力主要决定于超磁致材料内部的磁场分布,在结构设计阶段有必要对驱动器的磁场作数值分析,以便对结构进行优化设计,从而保证制动器的性能。本文的主要工作就是利用有限元方法分析超磁致伸缩微驱动器的磁场特性,对驱动器的位移输出及其线性工作范围作出有效的估计。

　　1　磁场分析与建模

　　1·1　驱动器结构及其工作原理

　　所设计的超磁致伸缩驱动器的结构示意图如图1所示。GMM棒处在激励线圈和偏置线圈产生的磁场中。其工作原理为:驱动器线圈通上电流,产生驱动磁场,改变驱动器电流的大小,从而改变驱动磁场的大小,进而磁致伸缩棒GMM的长度发生变化,即可推动顶杆移动,实现位移输出,使电磁能转变为机械能。

　　GMM驱动器相关结构参数见表1。

　　1·2　建模

　　忽略外套上局部非对称结构的影响,驱动器可以看作成一个轴对称结构;同时考虑到空气、硬铝和黄铜的磁导率(μr=1)远小于钢的磁导率,可以建立驱动器的2-D轴对称有限元模型,如图2所示。代号A~F分别表示超磁致伸缩材料(GMM)、A3钢、励磁线圈(铜)、硬铝、偏置线圈(铜)和空气(或水),特别注意的是在顶杆和壳体之间有0·05mm的气隙,必须对它单独建模。假定线圈电流比较小,所有材料均未达到饱和,只需进行一次线性分析。不考虑模型周围的漏磁,在模型外表面施加磁力线平行边界条件。选用八节点等参元对模型进行剖分,各节点仅有1个自由度———矢量磁位Az,剖分结果如图3所示,总计1358个单元、4631个节点,其中GMM棒剖分为6×12个单元,如图4所示;气隙剖分为1×个单元。