超磁致伸縮材料壓磁效應的研究

超磁致伸縮材料壓磁效應的研究

0渦流對材料特性的影響作為一種新型的磁控元件，它具有超磁速膨脹系數大、響應速度快、頻率特性好等特點，通過超磁速擴展材料中、高頻驅動器件的應用提供了技術支持。較大的磁致伸縮系數和微秒級的響應速度,使得超磁致伸縮材料在閥門應用中的優(yōu)勢遠大于傳統(tǒng)的電磁閥,這將便于空間飛行器姿態(tài)的迅速調整。由于超磁致伸縮材料的電阻率較小,高頻驅動下材料中的渦流損耗非常大,其中渦流的存在會削弱勵磁線圈所提供的磁場,改變磁場的均勻性分布,對應變量的輸出和材料的使用壽命具有非常大的影響;此外,驅動頻率的增加將增大材料磁化過程中的磁滯現象及損耗,磁滯的存在使得材料的輸出應變量呈非線性,在反復磁化過程中還將出現明顯的應變量滯回特性。渦流、磁滯損耗不僅會降低超磁致伸縮驅動元件的能量轉換效率,還會改變超磁致伸縮致動器(giantmagnetostrictiveactuator,GMA)的溫度分布,由于材料具有非常敏感的溫度特性,這將嚴重影響致動器機械特性輸出的控制精度。少數文獻研究了超磁致伸縮材料的渦流損耗以及渦流對應變量非線性的影響,其中,文獻在Jiles-Atherton模型的基礎上對超磁致伸縮材料的滯回特性進行了較完善的分析,文獻較詳細地分析了動態(tài)勵磁作用下的磁場分布及渦流的影響因素,但其并未考慮超磁致伸縮材料內部磁參量與機械參量之間的相互耦合,也沒有考慮壓磁效應對渦流損耗的影響。目前已有的文獻只是對交流勵磁下的磁場進行分析,針對致動器中的能量損耗及其對致動器溫升分布影響的研究較少。本文基于磁致伸縮微觀能量轉換機理和磁學理論,研究了磁彈性力作用下超磁致伸縮棒中磁場的表達式,分析了驅動頻率對超磁致伸縮材料的磁滯、渦流損耗的影響以及復數磁導率的頻率特性,對致動器中超磁致伸縮材料以及導磁回路的能量損耗進行仿真分析,在此基礎上仿真實驗得到了不同驅動頻率下超磁致伸縮致動器的溫升特性,為超磁致伸縮驅動元件的分析設計提供理論指導。1磁體氧化后的磁能損失1.1材料磁化率及磁場等帶參數的確定在交流勵磁作用下,由集膚效應可知,在鐵磁材料的表面將產生渦流,渦流的存在將消耗一部分能量,從而降低機構能量的轉換效率,更重要的是,渦流將誘發(fā)出一個與勵磁磁場方向相反的磁場,對裝置機構帶來去磁的效果,從而降低磁場的利用率。對鐵磁材料而言,渦流主要產生于勵磁磁場的建立過程中,渦流的大小取決于磁場的變化快慢,主要受勵磁磁場的大小和驅動頻率的影響。由壓磁效應可知,應力的作用將使得材料的磁化發(fā)生改變,也就是說,應力的作用將使得超磁致伸縮材料的磁導率發(fā)生改變,從而影響材料的磁化過程,而磁導率的改變會影響材料中的渦流分布,所以對于超磁致伸縮材料,在分析渦流損耗時,需考慮應力對渦流的影響。在麥克斯韋(maxwell)方程組中,忽略電位對磁場的作用可得超磁致伸縮材料的磁場方程:?×(?×H)=-γ?B/?t,其中H為磁場強度,B為磁通密度,γ為超磁致伸縮材料的電導率。對于超磁致伸縮材料,應力的作用將使得超磁致伸縮材料的磁化發(fā)生變化,這種磁化的改變可通過應力對磁導率的影響來進行分析,所以超磁致伸縮材料中磁通密度可表示為:B=μ(σ,H)?H,其中σ為預壓力,μ為材料的磁導率。在超磁致伸縮材料中,磁場H對磁導率的影響可以通過磁化過程中所產生的磁彈性力來進行等效,即B=μ(σ,σi)?H,其中σi為磁化過程所產生的磁彈性力。由能量極小值條件可知,在無外在載荷作用時,超磁致伸縮材料中的磁疇將處于易磁化方向,當外加磁場作用時,磁疇將發(fā)生偏轉,轉向磁場平行方向,在無磁場作用下,磁疇處于內應力方向,外在載荷的作用將使得磁疇偏轉,即轉向Ms方向。影響超磁致伸縮材料內部磁疇偏轉的能量主要有:預壓應力能Fσ,磁場能HF,磁晶各向異性能KF,磁彈性能Fσi,各部分能量的表達式為式中:θ為易磁化方向與飽和磁化方向的夾角;θ0為外磁場與易磁化方向的夾角;μ0為空氣磁導率;K1為磁晶各向異性常數;λs為飽和磁致伸縮系數;Ms為飽和磁化強度。由于超磁致伸縮材料在磁化過程中所產生的內應力較大,材料內部的內應力與外在的預壓應力都將限制磁疇發(fā)生偏轉,再加上磁晶各向異性能的作用,所以磁疇實際所偏轉的角度θ較小,由能量極小值條件?F/?θ=0(F為材料內部的總自由能),可得到θ的表達式:式中:a1=σ/σi;a2=2μ0HMs/(3λsσi);K=K1/(3λsσi)。由此可得材料的磁化率為式中MH為Ms在磁場方向上的分量,在無外應力作用(σ=0)時,磁化率為在多晶體中各個磁疇的易磁化方向是各異的,設每個磁疇的易磁化方向是各向均勻分布的,且具有球面對稱性,則sin2θ0=2/3,則起始磁化率為由于超磁致伸縮材料的磁導率較小,而且磁化曲線在非飽和區(qū)域具有較好的線性關系,所以此處可采用材料的起始磁導率來等效材料的磁導率,在不考慮預壓力作用下材料的磁導率為在交流勵磁H=Hmejωt作用下材料中所產生的磁彈性能為σi=σimejωt,其中Hm和σim分別為磁場與應力的幅值,則無預壓力作用下的磁場密度為為驅動頻率作用下超磁致伸縮材料的磁導率),在超磁致伸縮棒中,勵磁磁場主要集中在軸線z方向,磁場方程可簡化為式中:Hz為z方向上的磁場分量;r為超磁致伸縮棒徑向的坐標參量;ω為驅動頻率。強度的分布為式中:;J0為第1類零階貝塞爾函數;r0為超磁致伸縮材料的半徑;ri為(0,r0)內的任意參量。交流磁化過程中,由于磁彈性力的作用,超磁致伸縮材料的磁導率將發(fā)生變化,式(10)為磁彈性力作用下超磁致伸縮材料中磁場的函數表達式,復數為磁彈性力對磁場建立的影響,復數的模為對磁場大小的影響,相位角為對磁場建立的滯后性的影響。1.2材料參數對超磁致伸材料性能的影響渦流會使得超磁致伸縮材料中磁場分布發(fā)生改變,同時渦流的存在也將使超磁致伸縮材料內部產生渦流損耗,高頻下超磁致伸縮材料內的渦流損耗將是超磁致伸縮致動器中溫升分布的關鍵。由式(10)可知半徑為u區(qū)域內的磁通為式中:Bz為磁通密度的軸向分量;Bm為交流勵磁磁通密度的幅值;J1為第1類一階貝塞爾函數。由于實際應用中選取的超磁致伸縮材料半徑較小,材料內部磁場的均勻性較好,在此假設材料內部磁場分布均勻,則磁通可表示為在區(qū)域[u,u+du]上的感應電動勢為則平均時間內的渦流損耗為式中:l為材料的軸向長度;T為時間周期;p為一個周期內某一時刻的渦流損耗;ρ為超磁致伸縮材料的電阻率。由式(14)可知,除驅動頻率外,材料的結構尺寸、磁導率、電導率都是影響渦流損耗的重要參數。圖1為由式(14)計算得到的致動器中超磁致伸縮材料內部渦流損耗與有限元仿真結果的對比(有限元模型參見第2節(jié)),從圖1可知,渦流隨頻率的增大而增大,且其增大趨勢呈二次函數變化關系;由于材料的磁導率較小,計算過程中假定渦流沿軸向均勻分布,所以實際計算得到的渦流損耗的數據將大于仿真數據,在低頻下,仿真數據與計算數據吻合較好,但隨著頻率的增大,兩種渦流損耗的數據偏差也將增大,所以式(14)可適用于中低頻下的超磁致伸縮材料內部渦流損耗的計算。1.3驅動頻率對磁性材料滯回特性的影響由于渦流的存在,在磁化及退磁過程中將出現明顯的滯回現象,從磁場建立的式(10)可知,復數為考慮磁彈性力作用下渦流對磁場的影響因子,其相位角為磁場與磁密之間的滯回角δ,即損耗角,損耗角的存在將使得超磁致伸縮材料在磁化和退磁過程中產生滯回損耗。在超磁致伸縮棒中,外在勵磁所提供的磁場為H=Hmejωt,感應出的磁通密度為式中mB′為超磁致伸縮材料內部磁通密度的實際幅值,的存在將使得磁通密度B滯后于磁場強度H,而且H與B之間將呈現明顯的非線性,在此通過分析復數磁導率隨頻率的變化來研究磁化過程中的滯回非線性。驅動頻率下的復數磁導率不僅是表征磁場建立的關鍵參量,而且對磁性材料的儲能及損耗具有非常重要的意義,式(16)為超磁致伸縮材料的復數磁導率的表達式,其中μm為磁導率的幅值。圖2為超磁致伸縮材料磁導率隨頻率變化的關系曲線,從圖中可知,隨著頻率的增大,彈性磁導率μ′將減小,而損耗磁導率μ′先增大后減小,也就是說,超磁致伸縮材料的儲能能力隨驅動頻率的增大而減小,而磁能儲能能力將是能量輸出的關鍵,所以,驅動頻率的增大將會降低超磁致伸縮材料的能量轉換效率。由復數磁導率的虛部意義可知,隨著磁化的進行,在磁場建立過程中超磁致伸縮材料將具有明顯的磁場滯后性,圖3為驅動頻率對超磁致伸縮材料磁場滯回特性的影響,從圖3可知,驅動頻率越大,材料的滯回非線性越明顯,滯回曲線趨于橢圓型,不利于應變量輸出的精度化控制。頻率的增大也將使得材料的磁滯損耗增大,這將是影響致動器中溫升的另一個關鍵參數。相位角δ下的磁滯損耗為則材料中的磁滯損耗為2致動器能量損耗與驅動頻率的關系超磁致伸縮材料是一種對溫度非常敏感的元件,環(huán)境溫度的改變將影響超磁致伸縮材料的機械性能輸出。在超磁致伸縮致動器中,勵磁線圈除提供勵磁磁場外,還將作為一個熱源向致動器中傳遞熱量,從而改變致動器的溫度分布。在交流勵磁作用下,渦流、磁滯損耗的存在將使得超磁致伸縮材料本身作為一個熱源,直接影響超磁致伸縮材料的溫度分布,這種現象在高頻下更加明顯,而這種情況下對溫度進行控制非常困難。實驗中選用Φ5×40的超磁致伸縮材料設計GMA,GMA結構簡圖如圖4所示,其相關參數如表1所示,其中勵磁線圈繞制在尼龍骨架上,選用10#鋼與超磁致伸縮材料構成導磁回路,結合交流勵磁下的能量損耗,利用ANSYS仿真軟件和實驗測試平臺對致動器的溫度分布進行仿真和實驗分析。圖5為有限元模型仿真得到的致動器中能量損耗與驅動頻率的關系曲線。由圖5可知,驅動頻率將影響超磁致伸縮材料內部能量損耗的分布。在超磁致伸縮材料中,端部的能量損耗將小于中間位置,這主要是由于材料的磁導率非常小,在材料的端部存在較大的漏磁,而且勵磁線圈所提供的磁場將有一部分直接在材料的中間行成回路,從而導致材料端部磁場的變化率小于中間位置,使得材料中間位置的能量損耗較大,而且驅動頻率的增加會增大材料內部損耗的不均勻性。通過對比GMA內部能量損耗數據可知,超磁致伸縮材料中的能量損耗將成為除勵磁線圈以外的另一個重要熱源。圖6為仿真得到的勵磁10s后超磁致伸縮材料溫度分布隨頻率的變化關系,低頻下,材料端部的溫度將大于中間位置(距離端部20mm處),此時材料中的能量損耗較小,材料上的溫度變化主要是由勵磁線圈向材料傳遞熱量導致的,當高頻勵磁作用時,材料內部的能量損耗較大,其對超磁致伸縮材料溫度的改變將大于勵磁線圈提供的熱傳遞,所以材料中間溫升大于端部。由于漏磁主要集中在材料的端部,材料內部磁場具有較好的均勻性,所以中間和中上位置(距離端部10mm處)的損耗及溫升比較接近。熱量的產生與傳遞將是直接影響GMA中溫度分布的關鍵因素,為了便于分析,在此選用通電10s、冷卻至60s的工作狀態(tài)來模擬驅動器中的熱傳遞,實驗中通過表貼在超磁致伸縮材料中間位置的pt100溫度傳感器來監(jiān)測不同頻率下材料的溫度變化,圖7為實驗和仿真得到的溫升曲線的對比。由圖7可知,通過能量損耗計算得到的仿真結果與實驗數據吻合較好,進一步驗證了能量損耗計算公式的有效性。從圖7所示的溫度變化趨勢可知,低頻下,勵磁線圈將成為超磁致伸縮材料的主要熱源,使得通電結束后材料中的溫度繼續(xù)上升;中頻下,超磁致伸縮材料的能量損耗將成為致動器中溫升的關鍵,在通電結束時會存在一個溫度峰值。由于高頻下超磁致伸縮材料中的溫度上升非常迅速,在保證技術指標的前提下選用中空超磁致伸縮材料研制了致動器,采用超磁致伸縮材料內部強制水冷的方式來限制高頻的溫升,得到了高頻下致動器在有、無冷卻裝置下的溫度數據,結果如圖8所示。由圖8可知,水冷能有效地限制超磁致伸縮材料內部的溫升,而且冷卻過程中溫度下降效果明顯,但是致動器中溫度變化還是較為明顯,在致動器的設計過程中可選取沿軸向切片的超磁致伸縮材料來減小渦流損耗,從而減小高頻下超磁致伸縮致動器中的溫升,為致動器在高頻