一种GMA高速开关阀的结构设计与磁场仿真分析

甄 亮，方占萍，马忠孝

（1.酒泉职业技术学院甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室，甘肃 酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肃 酒泉 735000；3.中联重科股份有限公司，湖南 长沙 410000）

一种GMA高速开关阀的结构设计与磁场仿真分析

甄 亮1，2，方占萍1，2，马忠孝3

（1.酒泉职业技术学院甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室，甘肃 酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肃 酒泉 735000；3.中联重科股份有限公司，湖南 长沙 410000）

本文设计了高速开关阀用GMA的结构形式，计算了GMM棒所需的长度和直径，并结合高速开关阀的工作特点设计了线圈尺寸。通过Ansoft软件对GMA的磁场分布做了详细分析，得出采用低磁导率的导磁块时GMM棒轴向磁场不均匀度最小，且导磁块与GMM棒相对磁导率相同或接近时磁场不均匀度改善可达到最优，气隙宽度对GMM棒磁场不均匀度影响较显著，且当气隙宽度为0.4mm时磁场不均匀度最小，线圈安匝数主要影响GMM棒上的磁场强度大小，对磁场不均匀度影响甚小。

高速开关阀；磁致伸缩；磁场仿真

磁致伸缩材料作为几种重要的功能材料之一，因其独有的性质，其研究和应用越来越多地受到国内外学者关注。根据磁致伸缩材料的特性将其应用到高速开关阀上，通过外加磁场大小来改变超磁致伸缩棒的伸缩量（一般为几十微米），从而控制输出机构的力和位移。为了增大GMA（超磁致伸缩致动器，Giant Magnetostrictive Actuator）的输出位移，往往会设计相应的微位移放大机构对GMA的输出位移进行放大，以达到工作需要。由于超磁致伸缩材料本身的特点，GMA具有响应速度快、输出力大等优点，与其他电机械转换器相比具有明显的优势。

1 高速开关阀的整体结构

由于GMM（超磁致伸材料，Giant Magnetostrictive Material）棒的输出位移很小，一般所设计的GMA都会采用微位移放大机构进行位移放大，但这样会导致GMA结构复杂，且微位移放大机构缺点明显，同时由于GMM棒输出受磁场分布及温度影响较大，这些都会影响到GMM棒的输出精度。基于以上考虑，如图1所示，本文设计的GMA不采用微位移放大机构，而是设计了一种新型的多通流面阀芯结构来弥补GMM棒输出位移不足的问题。将GMA应用于液压高速开关阀中采用PWM信号控制时，由于激励电流采用直流电所以不存在倍频效应，从而略去了解决倍频效应所使用的偏置线圈，减小了GMA体积及偏置线圈发热对GMM棒的影响。

图1 基于GMA的高速开关阀结构示意图

2 高速开关阀用GMA结构设计

图2为所设计的GMA结构图，主要由线圈、线圈骨架、冷却腔、调节螺钉、GMM棒和顶杆等组成。工作原理是激励线圈通电产生磁场，产生的磁场使GMM棒轴向伸长变形，从而使预压杆推动阀芯运动，预压力调节螺纹作用是调节加载给GMM棒的预压力，使GMM棒获得更大的磁致伸缩率，调节螺钉可对GMM棒或阀芯位置进行微调。

图2 高速开关阀用GMA结构示意图

2.1 GMM棒设计

GMM棒的设计主要包括长度l和直径d，长度由GMM棒的工作位移决定，直径由GMM棒输出力决定，GMM棒的材料选用Terfenol-D。

本文设计的高速开关阀阀芯最大行程为50μm，由式1可得：

则GMM棒的长度：

式中：λs——GMM棒的饱和磁致伸缩率；

△lmax——GMM棒饱和磁致伸缩量；

l——GMM棒长度；

△xmax——设计的最大工作位移；

ks——设计系数，本文取1.2。

GMM棒在伸长过程中由于自身材料的弹性回复力作用，它的输出力是逐渐减小的，在零位时的输出力最大，当达到饱和磁致伸缩时输出力为零。

则GMM棒的输出力：

当GMM棒达到饱和磁致伸缩时F=0，则由式（1）、（2）可得：

式中：Fb——GMM棒零伸长量时的输出力；

F0——预压力；

k0——GMM棒的弹性回复系数；

E——GMM棒的杨氏模量；

x——GMM棒伸长量；

A——GMM棒横截面积；

l——GMM棒长度。

GMA在工作时，GMM棒的输出力需要克服预压弹簧力、复位弹簧力、阀芯阀套之间的摩擦力，所以GMM的最小输出力满足下式：

式中：F1——预压弹簧力；

F2——复位弹簧力；

FN——阀芯阀套摩擦力，F0=σ0A，F1=k1x，F2= k1x，其中：

σ0——预压应力；

k1——预压弹簧刚度；

k2——复位弹簧刚度。

同时，由设计要求阀芯在50μm行程下的响应时间需小于2ms，则由式

Fmin还需满足：

式中：m1——阀芯质量；

m2——预压杆质量；

m3——GMM棒质量。

由式（3）、（5）、（6）可得：

所以，GMM棒的最小输出力和横截面积取值需满足式（9）和（10），由设计要求阀芯关闭过程响应时间小于2ms，由式（7）、（8）可知复位弹簧力满足：

带入参数m1=65g，适当放大F2的值以忽略FN影响，F2取值为25N，由以上所述选取GMM棒尺寸为ø8×75，在阀芯行程为50μm时GMM棒的输出力最小。将各参数带入式（9）和（11）进行验算，满足要求，此时预压力为（预压应力10MPa）502N，50μm伸长量时GMM棒的输出力为268N。根据GMA形状体积取预压弹簧预压缩量为25.1mm，则预压弹簧刚度为20N/mm。

2.2 线圈参数设计

线圈尺寸大小会影响其产生的磁场强度和自身的功率损耗，功率损耗越大则产生的热量越多GMM棒温升变高，所以线圈设计时应综合考虑选取合适的尺寸以产生最大的磁场强度和最小的功率损耗。为了保证GMM棒处于比较均匀的磁场中，线圈的长度应稍大于GMM棒长度，但是过大尺寸会增加整体GMA的结构尺寸，本文线圈长度取82mm，为GMM棒长度的1.1倍左右。

多层绕线空心螺线管在中轴线方向任意一点的磁感应强度和线圈功率损耗公式为：

式中：μ——磁导率；

n1——螺线管单位长度上的匝数；

n2——螺线管单位高度上的匝数；

I——激励电流；

x——螺线管中轴线上任一点距离中心的距离；

r1——线圈内半径；

r2——线圈外半径；

l——线圈长度；

ρ——线圈电阻率；

H——磁场强度；

c——绕线形状因子（圆形取4/π，方形取1）；

α=r2/r1，β=l/2r1。

由式（12）可以看到r1越小则磁感应强度越大，由B=μH则磁场强度越大，但是由于本文在靠近GMM棒处有冷却腔来控制GMM棒的温升，同时考虑到GMA的整体尺寸，所以限制了r1的取值，本文r1取值20mm。按照功率损耗公式（13）和（14）可知，线圈外径的确定有个最优值，但是考虑到线圈电阻和电感对高速开关阀响应速度有十分重要的影响，设计过程主要考虑阀的响应速度，本文r2取值为32mm。由式12和式B=μH，得到中轴线中

由设计要求GMM棒上的最大磁场强度为40kA/m，由式15可得出：NI=3800，取线圈匝数为1200匝，则激励电流大小为3.2A。反复短期工作制时线圈中的最大电流密度J=5-12A/mm2，因为有水冷却装置，电流密度可适当取大，本文电流密度取9A/mm2。则线圈直径可由下式计算：

式中：kd——缠绕系数取1.2；

N——线圈匝数。

带入参数计算得线圈直径为0.683mm，查漆包线规格，选线圈直径0.69mm，此时裸线直径为0.64mm，同时线圈直径需满足下式，带入参数满足要求。

由线圈电阻和电感计算公式：

式中：ρT——导线电阻率；

dn——裸线直径；

μ0——真空磁导率；

N——线圈匝数；

S——线圈横截面积。

最后计算得到线圈的电阻和电感分别为12.13Ω和3.54mH。

3 高速开关阀用GMA磁场仿真分析

本文采用Ansoft Maxwell软件对所设计的GMA进行磁场仿真分析，由于GMA的结构是轴对称的，且GMA使用PWM信号控制，激励电流为直流。仿真模型和网格划分及磁力线分布如图3、图4所示，仿真参数如表1所示。

图3 GMA磁场仿真模型及网格划分

图4 磁力线分布

表1 仿真参数

3.1 磁块相对磁导率大小对GMM棒磁场分布的影响

图5a为导磁块在不同相对磁导率下（10～100）GMM棒沿中轴方向的磁场强度分布，同时有未加导磁块（即导磁块相对磁导率同45#钢）时的磁场强度分布。由未加导磁块曲线可以看到在GMM棒上磁场强度沿中轴方向的分布是不均匀的，最大磁场强度为59.83803kA/m，最小磁场强度为46.44272kA/ m，差值为28.84%。磁场强度呈现两头大中间小的现象，这是由于GMM棒相对磁导率较低，导磁性能差造成的。

经过综合比较分析，采用低导磁率的导磁块进行磁场不均匀改善方案最为可行，且认为导磁块相对磁导率与GMM棒相对磁导率相同或接近时磁场不均匀现象的改善可达到最优。本文GMM棒相对磁导率为10，由图5a可以看到，导磁块相对磁导率为10时GMM棒轴向磁场不均匀性现象最小，此时最大磁场强度为46.27559782kA/m，最小磁场强度为44.70121939kA/m，差值为3.52%，可见差值得到极大下降，同时可以看到GMM棒轴向磁场不均匀范围也得到大幅下降。同时，由图5a可以看到，导磁块相对磁导率从10到100变化时GMM棒轴向磁场不均匀度在逐渐变大，磁场不均匀区域也在逐渐变大。不过采用低磁导率导磁块会降低GMM棒的磁场强度，但是降低幅度较小，在3kA/m以内。

图5 导磁块相对磁导率变化对GMM棒磁场分布的影响

由图5b可以看到，GMM棒径向的磁场强度分布也是不均匀的，但是由于GMM棒工作为轴向，所以径向磁场不均匀现象对轴向工作影响很小，主要影响GMM棒体积变形。

图6为导磁块相对磁导率在GMM棒相对磁导率值附近变化时GMM棒的轴向磁场强度分布，表2为相对应的数据和差值。由图8可以看到导磁块相对磁导率小于GMM棒相对磁导率时，GMM棒两端的磁场强度小于中间部分，反之则大于中间部分。由表2可以看到导磁块的相对磁导率为10时GMM棒的磁场不均匀度最小，差值从10到两侧递增，这进一步验证了上面的结论，导磁块相对磁导率等于或接近GMM棒相对磁导率时，GMM棒的磁场不均匀性改善可达到最优；导磁块相对磁导率等于GMM棒相对磁导率时，GMM棒磁场均匀度最好。这样，GMM棒的磁场不均匀现象得到了改善。

图6 导磁块相对磁导率在10附近时GMM棒轴向磁场分布

表2 导磁块不同相对磁导率时GMM棒轴向磁场不均匀度差值

3.2 气隙宽度对GMM棒磁场分布的影响

图7为气隙宽度从0到1mm变化时GMM棒轴向磁场强度分布，可以看到随着气隙宽度的增大，GMM棒上的磁场强度也随之增大，但增大幅度较小，基本保持在1kA/m的范围内。同时，随着气隙宽度的变化，GMM棒轴向磁场强度差值也在变化，由表3可以看到气隙宽度在0.4mm左右时GMM棒轴向磁场强度差值最小，为3.40%。在导磁块磁导率对GMM棒轴向磁场强度分布的影响中，分析了导磁块相对磁导率为10时GMM棒可获得最小磁场强度差值为3.52%，此时气隙宽度为0.5mm。通过以上分析可以看到，GMM棒轴向磁场强度差值还可进一步降低，也就是气隙宽度为0.4mm左右时，磁场强度差值可达3.40%。

图7 气隙宽度变化对GMM棒轴向磁场强度分布的影响

表3 气隙宽度变化时GMM棒轴向磁场不均匀度差值

3.3 壳体相对磁导率变化对GMM棒磁场分布的影响

图8为壳体相对磁导率从1～1500变化过程的GMM棒轴向磁场强度分布三维图及投影图。可以看到，当壳体相对磁导率达到一定值后，再增加相对磁导率对GMM棒轴向磁场分布的影响将会很小，基本保持不变。同时也可以看到，壳体相对磁导率从1开始上升过程GMM棒上的磁场分布变化较大。

为了更清晰地看到这个变化过程，图9做出了壳体相对磁导率在100以内变化时GMM棒轴向磁场分布，可以看到壳体相对磁导率为1时GMM棒上磁场强度最小，且磁场分布均匀度最差。这主要是因为壳体相对磁导率为1时，壳体相当于空气（空气相对磁导率为1），这样在GMA上的磁场不能构成有效回路，而是从无穷远处构成了磁场回路，所以降低了GMM棒上的磁场强度。同时，随着壳体相对磁导率的增大，GMM棒上的磁场强度也在随着增大，这主要是因为壳体相对磁导率越大则漏磁相对越小，从而增加了GMM棒磁场强度。由图9还可以看到，随着壳体相对磁导率的增大GMM棒磁场强度的增幅在逐渐减小，结合图8可以得出结论：随着壳体相对磁导率的增大，GMM棒上的磁场强度值将随着增大，壳体相对磁导率在达到约100以后（100～1500），其相对磁导率的变化对GMM棒上磁场强度值的影响将越来越小，几乎可以忽略。

图8 GMM棒轴向磁场分布三维图及投影图

图9 壳体相对磁导率变化时的GMM棒轴向磁场分布

3.4 整体外磁路相对磁导率变化对GMM棒磁场分布

整体外磁路部分包括顶杆、壳体、后座、微调螺塞，它们通过导磁块和GMM棒构成闭合磁回路。图10为整体外磁路部分相对磁导率变化时GMM棒轴向磁场分布，表4为相对应的磁场不均匀度差值表。可以看到，随着整体外磁路相对磁导率的增大，GMM棒上磁场强度值得大小也在随着增大，这是由于外磁路相对磁导率高可以减小漏磁所致。从表4.4μ=1500和μ=150的数据可以看到，两者磁场强度值相差较小，但是磁场不均匀度增大了，所以对GMM棒而言，并不是整体外磁路的相对磁导率越高越好。综合表4的差值分布可以得出结论：随着整体外磁路相对磁导率的增大过程，GMM棒轴向磁场强度值也随着增大，而磁场不均匀度差值则呈现先减小后增大的过程，在这个变化过程中有一个最小差值点，约在μ=150左右，所以外磁路材料的选择至关重要，不过在不同驱动磁场时这个值可能会有变化。

3.5 线圈骨架和冷却套筒相对磁导率变化对GMM棒磁场分布的影响

图11和图12分别为线圈骨架和冷却套筒相对磁导率变化时GMM棒的轴向磁场分布图。从两个图中可以看到，随着相对磁导率的增大，GMM棒上的磁场强度值在随着降低，轴向磁场不均匀度差值在逐渐增大。这是因为相对磁导率的变化改变了磁力线的走向，使得磁力线优先通过高磁导率部分，从而导致GMM棒上磁场强度值下降。当相对磁导率达到很大值时，GMA上的闭合磁路就会由壳体、后座、线圈骨架或冷却骨架构成，而通过GMM的磁力线则只是漏磁部分。由图11和图12可以看到，当μ=1500时GMM棒上的磁场强度值已经很小了。所以，应使磁力线优先通过GMM棒从而通过导磁块和整体外磁路构成闭合磁路，这样GMM棒上的磁场强度值才是最大的，冷却套筒和线圈骨骨架的相对磁导率值取1是最好的。

表4 整体外磁路相对磁导率变化对GMM棒轴向磁场不均匀度差值

图10 整体外磁路相对磁导率变化时GMM棒轴向磁场分布

图11 线圈骨架相对磁导率变化时GMM棒轴向磁场分布

图12 冷却套筒相对磁导率变化时GMM棒轴向磁场分布

3.6 套筒相对磁导率变化对GMM棒轴向磁场强度的影响

图13为套筒相对磁导率变化时GMM棒轴向磁场分布，可以看到相对磁导率的变化对GMM棒轴向磁场分布的影响主要体现在GMM棒上磁场强度值的大小，对磁场不均匀度的影响很小。所以，套筒材料的选择较为自由，对磁场强度大小要求较低时可选择相对磁导率低的材料，对磁场强度大小要求高时可选择高磁导率的软磁材料。

3.7 线圈安匝数变化时GMM棒轴向磁场分布

图14和表5显示了线圈安匝数变化时GMM棒的轴向磁场分布及磁场不均匀度差值，可以看到，安匝数大小对磁场不均匀度影响较小，主要影响GMM棒上的磁场强度大小。安匝数变化时磁场不均匀度发生变化是因为整体外磁路的相对磁导率发生了变化。通过表5可知，前面分析的各参数对GMM棒磁场不均匀度的影响及得出的一些结论是正确的。

4 结论

本文设计了高速开关阀用GMA的结构形式，计算了GMM棒所需的长度和直径，并结合高速开关阀的工作特点设计了线圈尺寸。详细分析了各参数对GMM棒轴向磁场不均匀度的影响，得出采用低磁导率的导磁块时GMM棒轴向磁场不均匀度最小，且导磁块与GMM棒相对磁导率相同或接近时磁场不均匀度改善可达到最优；气隙宽度对GMM棒磁场不均匀度影响较显著，且当气隙宽度为0.4mm时磁场不均匀度最小；整体外磁路相对磁导率在150左右时，效果最好；冷却套筒和线圈骨架的相对磁导率为1时GMM棒磁场不均匀度最小；套筒对GMM棒磁场不均匀对影响很小，材料选择较为自由；线圈安匝数主要影响GMM棒上的磁场强度大小，对磁场不均匀度影响甚小。以上结论有利于指导在GMA设计过程中各部分材料的选择。

图13 套筒相对磁导率变化时GMM棒轴向磁场分布

图14 电流变化时GMM棒轴向磁场分布

表5 线圈安匝数变化时GMM棒轴向磁场不均匀度差值

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Structuredesign and simulationanalysis of magnetic field for GMA high-speed on-off valve

ZHEN Liang1,2，FANG Zhanping1,2，MA Zhongxiao3
（1.Gansu Provincial Key Laboratory for Solar Power System Engineering, Jiuquan Vocational and Technical College,Jiuquan 735000,Gansu China; 2.Jiuquan New Energy Research Institute,Jiuquan 735000,Gansu China; 3.Zoomlion Heavy Industry Science&Technology Co.,Ltd.,Changsha 410000,Hunan China）

The structure form ofhigh-speed on-off valve with GMA has been introduced in the text.The required length and diameter of GMM rod have been calculated.By combining with the working features of high-speed on-off valve,the coil dimension has been designed.The detailed analysis has been conducted to the magnetic field of GMA by use of Ansoft software.It is concluded that unevenness of axial magnetic field for GMM rod is minimum when the magnetic block has low permeability.The improvement of unevenness is optimum when the relative permeability between the magnetic block and GMM rod is same or close. The width of air gap has obvious influence to the unevenness of GMM rod magnetic field.The unevenness of magnetic field is minimum when the air gap width is 0.4mm.The coil ampere has mainly affected the magnetic field intensity size of GMM rod,while has little influence to the unevennessof magnetic field.

High-speed on-off valve;GMM;Simulation of magnetic field

TK137.5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.027

1672-0121（2016）06-0104-08

2016-09-28；

2016-10-30

甘肃省科技计划资助项目（1309RTSF043）；甘肃省科技创新平台专项资助项目（144JTCF256）

甄 亮（1984-），男，硕士，从事电液伺服控制技术、液压元件、现代控制策略等研究。E-mail：04130227.zl@163.com