射流伺服阀用超磁致伸缩执行器磁场建模与分析

　　0 引言

　　稀土超磁致伸缩材料 ( Giant MagnetostrictiveMaterial，简称 GMM) 是近年来发展起来的一种新型功能材料，具有磁致伸缩应变大、输出力大，磁机耦合系数高、响应速度快、能量密度高等优点，可精确、快速定位，已在精密和超精密驱动、微定位机构、微位移执行器以及纳米技术等领域显示出良好的应用前景［1 －2］。

　　采用 GMM 开发的新型射流伺服阀与传统伺服阀相比，具有响应快、精度高、抗污染等优点。射流伺服阀超磁致伸缩执行器( Giant MagnetostrictiveActuator，简称 GMA) 对新型射流伺服阀的这些优良性能的发挥具有至关重要的作用，而 GMM 棒上磁场分布是否均匀又对 GMA 位移输出特性具有直接影响［1］，但目前关于 GMA 结构参数对 GMM 棒上磁场分布均匀性的影响以及 GMM 棒上磁场分布均匀性对 GMA 位移输出性能的影响研究较少。本文采用有限元法分析了线圈结构、阀体材料等 GMA 结构参数对 GMM 棒上磁场均匀性及其强度的影响，为 GMA 结构设计提供了依据。并基于无磁滞非线性压磁方程，得到了考虑 GMM 棒上磁场分布不均匀时的 GMA 位移输出公式，并通过实验与仿真分析了 GMM 棒磁场分布不均匀对 GMA 位移输出特性的影响。

　　1 射流伺服阀 GMA 结构

　　如图1 所示为射流伺服阀用 GMA 结构，其驱动部分由驱动线圈和偏置线圈构成，闭合磁路由前后端盖、调节螺钉、热补偿模块、超磁致伸缩棒、输出模块构成。

　　2 GMA 驱动磁场有限元分析

　　2. 1 磁场有限元法与驱动磁场均匀性分析

　　在驱动电流磁场变化缓慢时，驱动磁场满足如下定常的 Maxwell 方程［3 －4］:

　　式中: B 为磁感应强度; H 为磁场强度; μ 为材料磁导率; 电流密度 J = NI/( lh) ; N 为线圈匝数; I 为驱动电流; l 为线圈轴向长度; h 为线圈厚度。

　　由于Δ·B =0，故存在一个静磁矢势 A，使得

　　B =Δ× A． 　　(2)

　　由式( 1) 、式( 2) 可得

　　平面问题中假设电流平行于 z 轴，A 只有 z 分量

　　A = ( 0，0，A_z) ，J = ( 0，0，J_z) ． 　　(4)

　　从而，上述方程可以简化为椭圆型偏微分方程

　　式中，边界根据具体实际可设为: A =0; A/z =0．

　　GMA 驱动磁场有限元分析时模型简化见图 2．

　　取驱动电流 I = 0. 25 A，GMA 驱动磁场有限元分析结果如下( 图 4 中磁场强度 H 单位: A/mm) :

　　从图 3 和图 4 可看出，线圈内磁场强度较大。由于 GMA 位移输出特性主要决定于 GMM 棒内轴向和径向磁场分布，为便于分析和计算，提取出GMM 棒轴线上和端面直径上的磁场强度，如图 5 ～?L分析点到 GMM 棒轴线中点的位置坐标; xr是分析点到 GMM 棒端面圆心的位置坐标。