超磁致伸缩器的热补偿研究

李小鹏，荣 凯，杜 旭，田 库，万礼超，张成明，李立毅

（1．天津工程师范学院自动化与电气工程学院，天津300222；2.艾普斯电源（天津）有限公司，天津300385；3.哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨 150001）

超磁致伸缩器的热补偿研究

李小鹏1，荣 凯1，杜 旭2，田 库1，万礼超1，张成明3，李立毅3

（1．天津工程师范学院自动化与电气工程学院，天津300222；2.艾普斯电源（天津）有限公司，天津300385；3.哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨 150001）

超磁致伸缩材料的热效应严重影响其控制精度。文章分析了超磁致伸缩器系统的热源，采用试验的方法确定了一定条件下的热应变和磁应变；设计了适合超磁致伸缩器的冷却子系统；基于热应变和磁应变试验曲线提出了软件向上补偿方法。

超磁致伸缩器；热应变；冷却子系统

超磁致伸缩材料（giant magnetostrictive material，GMM）是近30年来迅速发展起来的新型功能材料，同时具有感知、信息处理和执行的功能。由于超磁致伸缩材料的作动器（actuator based on giant magnetostrictive material，GMA）具有响应速度快以及输出力大等优点，因此被广泛应用于隔振、精密控制以及阀门控制等领域。超磁致伸缩作动器的绝对应变较小，热应变与其输出应变相比不能忽略，因此研究热应变以及补偿方式具有重要意义[1-3]。

1 超磁致伸缩器的热源

GMA结构示意图如图1所示。当线圈（偏置线圈和激励线圈）通电产生磁场，磁致伸缩棒在磁场的作用下发生应变[1-3]。

从GMA工作过程可知，该系统的热源有3个：

（1）焦尔热 磁致伸缩器依靠激励线圈和偏置线圈产生磁场工作，激励线圈和偏置线圈在工作时不可避免地要产生焦尔热：

式中：Wr为总的焦耳热；Wdc为偏置线圈产生的焦耳热；Wac为驱动线圈产生的焦耳热。

（2）铁损耗 交流磁路中存在铁芯损耗，铁芯损耗又分为磁损耗和涡流损耗，这里主要考虑涡流损耗。GMM是导体，当磁通交变时，GMM中就会感应交变的电势，在导电的铁芯中就会产生环流，这种电流在铁芯构成的回路与磁通相环链，即涡流，涡流产生的损耗称为涡流损耗。涡流损耗功率可用下式表示：

式中：kw为与材料有关的比例系数；f为磁通交变频率；Bm为磁通密度的最大值。

（3）摩擦损耗 磁致伸缩棒在运动过程中与骨架内壁发生摩擦而产生热量，这部分所占比例较小。

直动型超磁致伸缩作动器的激励与其轴向平行的激励磁场，所以只考虑轴向磁致伸缩本构方程，因此建模时可忽略横向激励、横向应力和剪切应力等的影响，准静态条件下，频率较低且运动速度较慢，所以忽略机械阻尼和涡流损耗，但长时间通电时存在热积累过程，热应变不能忽略，它与磁应变有可比性，则超磁致伸缩棒轴向的磁致伸缩本构方程为：

式中：B为磁致伸缩棒内的磁通感应强度；d33磁致伸缩棒轴向压磁系数；σ为轴向应变方向的压应力；μσ为σ常量时的相对磁导率；H为磁致伸缩棒内的磁场强度；S为轴向磁致应变为H为常量时的杨氏模量；α33超磁致伸缩材料的轴向温度系数；ΔT为温升。

试验采用磁致伸缩棒。线圈中通电电流为2.5 A时，线圈中部温升如图2所示。图3是所对应温度下的热应变。图4是不同通电电流对应的磁应变，比较图3和图4可知热应变是不可以忽略。因此，必须采取一些措施来减小整个系统的损耗，但工作过程中发热还是不可避免的，还要采取冷却和补偿的方法以提高系统的精度。

2 超磁致伸缩器的冷却子系统

GMA的冷却子系统的原理是在超磁致伸缩棒与线圈之间增加一个空腔，空腔上部设置一个进水口，下部设置一个出水口，进水口和出水口与外部水路相连，利用水的高比热特性带走系统产生的热量。外部冷却子系统如图5所示。系统包括水箱、水泵、进水口、出水口、泵驱动电路、单片机以及其它外围电路组成。磁致伸缩作动器内部埋设的铂电阻传感器监测线圈的温度，该信号通过单片机A/D采样接口读取，单片机根据温度的大小利用驱动电路控制水泵的转速，达到控制水流速度和线圈温度的目的。更精确的控制系统则需要保证水箱内的水恒温，这时应增加冷水注入系统。

3 超磁致伸缩器的热补偿

即使使用超磁致伸缩器的冷却子系统，超磁致伸缩棒的温度仍然可能有所变化，通常需要采取一些热补偿措施，如热膨胀抵消法、柔性支撑结构补偿法、相变温控法以及组合热补偿法等，这些补偿方法对材料特性要求很高[4，5]。因此本文提出一种基于软件的向上补偿方法，它的基本原理是采用试验的方法测取不同温度下的磁致伸缩棒的热应变和不同电流下的磁应变，然后制作表嵌入单片机软件，根据单片机测取温度即可查处对应的热应变（图3），计算出目标应变减去此时的热应变为对应的磁应变，最后按照此应变，查表计算出所需的线圈电流（图4），单片机控制线圈驱动电路调节其内部的电流，软件子程序框图如图6所示。

根据以上分析，设计了超磁致伸缩作动器结构。该结构包括连接杆、入水口、偏置线圈和激励线圈、线圈骨架、顶杆、拧紧套、碟璜、外壳超磁致伸缩棒、出水口、底座以及绝缘层组成。入水口与冷却子系统的出水口相连，出水口与回水口相连，线圈内部预先埋置监测温度的铂电阻。由于本文设计的GMA工作在低频状态，所以磁致伸缩棒与线圈骨架之间增加一层绝缘层，防止线圈发热影响GMM特性。如工作在高频状态则应当去掉绝缘层并且骨架采用金属，这种结构有利于磁致伸缩棒的温度散热。

4 结论

超磁致伸缩作动器的热源包括线圈欧姆损失、铁损以及摩擦损耗，这些损耗的热积累效应严重影响控制精度。实验测得了热应变和磁应变曲线，根据曲线实现软件补偿的方法，结合软件补偿和水冷系统设计的超磁致伸缩器更为合理。

[1]李扩社，徐静.稀土超磁致伸缩材料发展概况[J].稀土，2004（4）：51-52.

[2]邬义杰.超磁致伸缩材料的发展及其应用现状研究 [J].机电工程，2004（4）：55-56.

[3]贾振元，杨兴，武丹，等.超磁致伸缩执行器及其在流体控制元件中的应用[J].机床与液压，2000（2）：3-4.

[4]卢全国，陈定方，钟毓宁.超磁致伸缩致动器热变形影响及温控研究[J].中国机械工程，2007（1）：16-17.

[5]李国平，魏燕定，陈子辰.超磁致伸缩驱动器热输出的抑制与补偿方法[J].设计与研究，2003（11）：23-25.

Study on thermal compensation of giant magnetostrictive device

LI Xiao-peng1，RONG Kai1，DU Xu2，TIAN Ku1，WAN Li-chao1，ZHANG Cheng-ming3，LI Li-yi3
（1.School of Automation Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.AC Powerc（Tianjin）COBP，Tianjin 300385，China；3.Department of Electrical Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

The thermal effect of giant magnetostrictive material seriously affects its control precision.Firstly，the heat of system of giant magnetostrictive device is analyzed and test method is used to determine the thermal and magnetic strain under certain conditions；secondly，the cooling subsystem that is suitable for giant magnetostrictive device is designed；finally，based on test curve of thermal and magnetic strain,an up compensation method with software is proposed.

giant magnetostrictive；thermal strain；cooling subsystem

book=2,ebook=81

TH132

A

1673－1018（2010）02－0013－03

2010-03-18

教育部科技研究重点项目（208007）.

李小鹏（1975—），男，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为电机设计、电机控制以及电磁发射.