稀土超磁致伸缩换能器磁路设计与仿真

陈 爽，赵录冬，周 杰，刘 政

（江西理工大学 机电工程学院，江西 赣州 341000）

1 引言

稀土超磁致伸缩材料（GMM）是一种具备正反逆换效应功能的新研发的材料，可以使用其正效应制造换能器，使用其逆效应可以制造传感器[1]。其相比于压电类执行器具有承载大、速度响应快、可靠性高、低压驱动等特点，在精密定位，主动降噪、减振，流体控制、表面强化加工等领域有非常好的应用前景[2-4]。

伴随科技水平的提高，生产活动对机器操作性能的指标逐步提高，而零部件表面加工性能的高低会影响机器操作的性能，由此促进了表面加工工艺的不断发展。超声挤压强化加工作为一种新型的表面加工工艺与传统的挤压强化加工工艺相比具有工作力小，工件表面金属变形规则，表面质量高等一系列优点，因此该表面加工工艺的运用越来越广泛，而且对超声波振动驱动源的性能指标也提高[5]。稀土超磁致伸缩换能器作为一种新研发的驱动器，具备感应速率快、工作频域广、抗压强度大等诸多长处，可以达到超声挤压强化加工中对振源的性能指标[6]。基于超声挤压强化加工设备对振源性能的要求，设计出了稀土超磁致柔性铰链微位移复合运放伸缩换器，并在相关理论的引导下，对稀土超磁致双向输出换能器的磁路进行了研发[7-10]。

2 稀土超磁致换能器结构

稀土超磁致伸缩换能器结构，如图1所示。在壳体左右两侧周向开有个径向螺纹通孔，线圈骨架通过固定螺钉固定在壳体内部；线圈骨架的左右两个侧壁上分别设有一个径向、含有螺纹的冷却油孔，同时在左右两侧壁底部分别开设有冷却油分流口和汇合口供冷却油液流入流出，冷却油孔上安装有油管接头；线圈骨架的中心有隔磁套，同时两头的连接处相反方向有两个唇型密封圈。隔磁套内有稀土超磁致伸缩棒，其左右各有一个端面中心开有锥形槽的圆柱型永磁体。两侧的永磁体分别通过圆锥面与传力球连接，传力球通过球面与设有内锥面的传力杆小端接触，传力杆的大端利用杠杆式柔性铰链放大器与预载弹簧连接，左右两个杠杆式柔性铰链放大器杠杆前端分别与左右推杆螺纹连接。同时在线圈左右两端加圆环导磁体和碟簧，用以调节预紧力的大小。

图1 稀土超磁致伸缩换能器剖视图Fig.1 Rare Earth Giant Magnetostrictive Transducer Cross-Sectional View

3 换能器磁路的简化和仿真

3.1 磁路简化

稀土超磁致伸缩换能器主要有壳体、端盖、铰链放大机构、碟簧、预压弹簧、传力杆、永磁体、GMM棒、传力球、推杆、隔磁套、导磁体等组成。在有限元分析时，将换能器的外壳、端盖、传力杆等都不给予考虑，同时各零件中所涉及的导槽、开口、液流道等对有限元分析结构影响不大，在有限元分析过程中忽略。

因为稀土超磁致伸缩换能器的构造具有轴对称性，所以该换能器的磁场分析可化为平面进行ANSYS仿真。选取换能器的轴截面作为仿真截面，为进一步简化磁路模型，减少计算工作量，缩短ANSYS软件分析求解的时间，到达缩短分析周期的目的，我们取简化磁路的一半进行有限元分析。

3.2 有限元建模

稀土超磁致换能器磁场有限元分析中，首先需要设定各个部件参数，正确的参数设置对有限元分析结果的可靠性具有重要意义。设计中的稀土超磁致换能器2D模型，如图2所示。该模型主要由九大部分组成，分别为传力杆区域、永磁体区域、GMM棒区域、气隙区域、隔磁套区域、导磁体区域、线圈区域、线圈骨架区域和冷却液区域。换能器主要零部件的电磁数据，如表1所示。

图2 稀土超磁致换能器2D模型Fig.2 Rare Earth Giant Magnetoresistive Transducer 2D Model

表1 稀土超磁致换能器部件参数表Tab.1 Rare Earth Giant Magnetoresistive Transducer Component Datasheets

4 磁路有限元分析

稀土超磁致换能器的偏置磁场来源于稀土超磁致伸缩棒上下两端的圆柱形永磁体。采用ANSYS软件对永磁磁路进行静磁学分析，模拟分析获得稀土超磁致伸缩换能器里面偏置磁场的分布情况。

4.1 磁路优化

在ANSYS单元库中有很多不同的单元类型可供用户自由选择，对于本设计中的2D模型，采用了一种四边形节点单元，即plane13单元。网划分中采用智能精度4的自由网格划分，永磁体材料选用N30的铷铁硼，磁化方向为Y轴方向，N极沿Y轴正向，磁路系统界线添加平行磁力线约束。偏置磁场有限元分析图，如图3所示。

图3 偏置磁场有限元分析图Fig.3 Bias Magnetic Field Finite Element Analysis Diagram

通过对结构模型分析研究可获得图3（a）到图3（d），他们分别为稀土超磁致换能器的磁场线、感应强度、磁场强度以及磁路系统能量的散布情况。由图可知，磁场强度、磁力线密度以及能量密度都在换能器的气隙区域、GMM棒区域和磁路系统尖角和拐弯部分较大，这表明偏置磁场在这些区域磁场能量消耗比较大。在GMM棒区域内所消耗的能量为偏置磁路系统的有效能量损耗，而在其他区域消耗的磁场能量为无效能量消耗。在偏置磁路的设计中尽可能地减少无效磁场能量消耗，根据能量消耗分布区域，可以通过尽可能地提高零部件加工精度、改善装配等方式来减少或消除气隙，在磁路尖角和大角度拐弯处可以通过倒角圆弧进行过渡。

4.2 磁路的开闭对磁路系统磁场分布的影响

磁路系统由稀土超磁致棒、永磁体、传力杆、导磁体和电磁线圈等组成，该磁路系统的开闭状态会直接影响核心部件稀土超磁致棒上磁场的大小和分布均匀性，因此对磁路稀土的开闭磁路进行有限元分析对换能器系统的工作性能稳定性具有重要的意义。

通过ANSYS研究分析可得换能器的磁场线分布图、感应强度图和GMM棒中心轴线电磁感应强度密度曲线，如图4～图6所示。其中（a）表示开磁路状态，（b）表示闭磁路状态。图4可以得出磁路为开路时磁力线在换能器区域呈现发散分布，且在换能器的核心部件GMM棒区域磁感线泄露非常严重；闭磁路时磁感线主要集中由导磁体、传力杆、永磁体和GMM棒所组成的闭合磁路中，磁路的泄露量迅速降低，同时磁感线在GMM棒的范围内分布均匀且集中。在图5中不同颜色代表不同磁感应强度，可以得出，闭合磁路中GMM棒区域的电磁感应强度远大于开磁路时GMM棒区域的磁感应强度，这是由于闭磁路磁感线主要集中在磁路区域，开磁路磁感线泄露大的缘故。由图6可知，开闭磁路时GMM棒中心轴向磁感应强度密度都呈现先负向降低，再正向增加，之后保持先对平稳变化，再正向减小，最后负向增加的趋势。其主要原因是由于稀土超磁致棒直接与铷铁硼材质的永磁铁接触，GMM棒两边端部磁化强度较大且磁场强度方向与永磁体磁场方向相反，因此GMM棒头部电磁感应强度为负值。当时随中心轴向节点离端部距离的增加，节点区域受永磁体磁化影响变小，电磁线圈产生的正向磁场的叠加作用下，GMM棒的磁感应强度先快速负方向减小然后再正方向增加。当GMM棒内节点区域与端面距离超过一定值厚，永磁体产生的感应磁场强度衰减加剧，到GMM棒中点时到达最小，此过程中GMM棒区域中的由电磁线圈产生的感应强度大小基本不发生变化。由曲线可以看出闭合磁路相对与开磁路而言，磁感应强度在GMM棒大部分区域分布均匀，波动幅度小，磁感应强度大。所以设计中超磁致伸缩换能器内部磁路应采用封闭磁路模式。

图4 开闭磁路磁感线Fig.4 Opened and Closed Magnetic Induction Line

图5 开闭磁路磁感应强度图Fig.5 Opened and Closed Magnetic Flux Density

图6 开闭磁路GMM棒中心轴向磁感应强度密度Fig.6 Opened and Closed Magnetic Circuit GMM Rod Center Axial Magnetic Flux Density Density

4.3 封闭磁路磁场变化研究分析

稀土超磁致换能器在换能器工作过程的能量供应源主要是线圈，在ANSYS中分别使用静磁场分析和涡流分析对超磁致伸缩换能器的线圈提供的磁场和能量进行研究分析。应用静磁场分析模块，通过对稀土超磁致换能器施加不同的电流密度，模拟线圈受交变电流产生的交变磁场。超磁致换能器电磁线圈激励一个周期过程中，换能器磁路结构中感应强度的变化图，如图7所示。电流密度为-106A/m2、0、106A/m2、-0.5×106A/m2时稀土超磁致换能器磁路磁感应强度的分布情况，如图7（a）～图7（d）所示。在线圈和磁体的相互影响下，GMM棒中感应磁场分布比较均匀。

图7 一个周期中换能器磁路磁感应强度云图Fig.7 A Cycle Transducer Magnetic Circuit Magnetic Flux Density Cloud

图7（b）显示，当电流密度为0时，即换能器中只有永磁体提供磁场，该过程中永磁体产生一个偏置磁场，会使GMM棒处于较为均匀的固定磁场中，使GMM棒处于预极化的工作状态，同时可以避免“倍频”现象的产生并使GMM棒工作在线区，GMM棒在永磁体提供的偏置磁场激励作用下产生的磁感应强度呈现两端磁场强度大，中间低的哑铃状分布。但是由于退磁场的存在，换能器中电磁线圈提供的驱动磁场分布呈现中间大，两头小的分布特点，对永磁体提供的偏置磁场起到很好的补偿作用，因此可以使换能器中的GMM棒中的感应场强分布均匀，可认为GMM棒倍均匀磁化。图7（d）显示出当电流密度为-0.5×106A/m2时，GMM棒的电磁感应强度几乎为0，这能够说明此时换能器的电磁线圈提供的驱动磁场与永磁体提供的偏置磁场相互叠加相互抵消。如图7（a）、图7（c）所示，当电磁线圈的电流密度大小发生改变时，GMM棒中的感应电磁强度也相应的发生变化，且为同号改变，即（-0.5×106～106）A/m2和（-0.5×106～106）A/m2区间内 GMM棒感应场强谁电流密度的增大而增大，方向与电流密度相同。稀土超磁致换能器的电磁线圈激励一个周期内换能器磁路的电磁强度的矢量图，如图8所示。当换能器中电磁线圈所通电流密度大于-0.5×106A/m2后，超磁致棒的磁场场强方向发生了变化。由于GMM棒的伸缩系数为磁化强度的偶函数，只与磁化强度的大小有关，与磁化场强方向无关，因此电磁线圈电流密度为-0.5×106A/m2时，GMM棒的长度最短；当电磁线圈所通的电流密度不为-0.5×106A/m2时，稀土超磁致棒会伸长，从而产生倍频现象。比较可得，当电磁线圈电流密度在区间（-0.5×106～-106）A/m2内时，GMM棒内部感应磁场强度哑铃形状明显，即感应磁场强度分布不均；当线圈通过电流密度在区间（-0.5×106～106）A/m2内时，GMM棒内部产生的磁场强度散布较为平均。所以有限元的分析结果说明，稀土超磁致换能器的有效驱动电流密度范围大约在（-0.5×106～106）A/m2之间。

图8 一个周期中换能器磁路磁场强度矢量图Fig.8 A Cycle Transducer Magnetic Circuit Magnetic Field Strength Vector

5 结论

（1）在磁路优化设计仿真中，磁场强度、磁力线密度以及能量密度都在稀土超磁致换能器的气隙区域、GMM棒区域和磁路系统尖角和拐弯部分较大，这表明偏置磁场在这些区域磁场能量消耗比较大。因此在偏置磁路的设计中应进可能地减少无效磁场能量消耗，根据能量消耗分布区域，可以通过尽可能地提高零部件加工精度、改善装配等方式来减少或消除气隙，在磁路尖角和大角度拐弯处可以通过倒角圆弧进行过渡。（2）在磁路开闭对系统磁场分布的影响研究中表明：由于闭磁路磁感线主要集中在磁路区域，开磁路磁感线泄露大，因此闭合磁路中GMM棒范围内的磁感应强度比在开磁路时GMM棒范围内的磁感应强度大。并且闭合磁路与开磁路相比，电磁感应强度在GMM棒的大部分范围内分布更加均匀，波动幅度更小。因此设计的超磁致伸缩换能器里面的磁路采取为封闭磁路。（3）磁路磁场分析表明：磁路系统中设置的磁体能够产生一个偏置磁场，使GMM棒处于较为平均的稳定磁场中，处于预极化的工作状态，可以避免“倍频”现象的产生并使GMM棒工作在线区。同时，GMM棒在磁体的偏置磁场激励作用下产生的感应强度出现两头磁场强度大，中间低的哑铃状分布，但是由于退磁场的存在，电磁线圈提供的驱动磁场分布呈现中间大，两头小的分布特点，这对永磁体提供的偏置磁场起到很好的补偿作用。

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