[发明专利]超磁致伸缩致动器的优化与设计

说明书

技术领域

本发明的技术方案设计了超磁致伸缩致动器(GMA)，具体地说是对其线圈尺寸及绕线进行了优化设计，并对其静、动态工作特性进行了实验测试。

背景技术

铁磁材料因外磁场作用而磁化时，其长度及体积均发生变化的现象称为磁致伸缩效应。1974年，一些科研人员发现三元稀土合金Tb1-xDyxFe2在时磁致伸缩率达到峰值，因该合金在常温下具有很高的磁致伸缩应变，故被称为超磁致伸缩材料(GiantMagnetostrictive Material，GMM)，材料具有响应快、应变大、输出力大等优异性能，在主动隔振、精密加工、流体控制等领域具有深远的应用前景。超磁致伸缩致动器(Giant Magnetostrictive Actuator，GMA)是以GMM为核心的基本机械能输出器件。

在GMA中，GMM产生磁致伸缩应变的能量全部来自于线圈的励磁磁场，励磁线圈的电磁转换特性成为评价GMM器件好坏的重要指标，励磁线圈的体积也是影响GMM器件整体尺寸的主要因素，同时励磁线圈能耗所转化成的热量也是GMM器件发热的重要来源之一，但线圈的材料参数、结构参数等多种因素共同影响着磁场强度的分布，所以线圈设计一直是超磁致伸缩器件设计的重点和难点，具有重要的理论意义与实际应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：通过对超磁致伸缩致动器(GMA)的线圈尺寸及绕线进行优化设计，达到较好的静、动态工作特性，具有较高的通用性和工程实用价值。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：超磁致伸缩致动器的优化与设计，设计了超磁致伸缩致动器(GMA)，对线圈尺寸及绕线进行了优化设计，并测试了超磁致伸缩致动器的静、动态特性。在分析超磁致伸缩材料特性的基础上设计了GMA基本结构，并确定了偏置磁场的加载方式。研究了线圈尺寸参数对线圈轴线上磁场分布和线圈的电-磁转换效率两方面的影响，优化设计了线圈的尺寸；提出了线圈功耗表达式并分析了绕线直径对功耗的影响，择优选取了绕线。通过实验，结果表明GMA具有较好的静态、动态特性，且GMA工作特性与设计参数相吻合，证明了线圈优化设计的合理性。

上述超磁致伸缩致动器的优化与设计，所述的励磁线圈及线圈骨架的结构，如附图2所示。线圈骨架采用厚度为2mm厚的铝材制作，线圈的主要尺寸参数有漆包线的线径d_w、线圈的内径R_c1、线圈外径R_c2以及线圈长L_c。由于GMM棒和线圈骨架的限制，R_c1＝15mm。

上述超磁致伸缩致动器的优化与设计，所述的线圈尺寸优化设计：首先，若绕线厚度较小，可假设线圈为单层缠绕的螺线管，其半径为R_cx、匝数为N_x、通入电流为I_x，那么轴线上距螺线管中心为x处产生磁场强度为：