超磁致伸縮材料壓磁效應(yīng)的研究

超磁致伸縮材料壓磁效應(yīng)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(shù)大、響應(yīng)速度快、頻率特性好等特點(diǎn)，通過超磁速擴(kuò)展材料中、高頻驅(qū)動(dòng)器件的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。較大的磁致伸縮系數(shù)和微秒級的響應(yīng)速度,使得超磁致伸縮材料在閥門應(yīng)用中的優(yōu)勢遠(yuǎn)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(diào)整。由于超磁致伸縮材料的電阻率較小,高頻驅(qū)動(dòng)下材料中的渦流損耗非常大,其中渦流的存在會削弱勵(lì)磁線圈所提供的磁場,改變磁場的均勻性分布,對應(yīng)變量的輸出和材料的使用壽命具有非常大的影響;此外,驅(qū)動(dòng)頻率的增加將增大材料磁化過程中的磁滯現(xiàn)象及損耗,磁滯的存在使得材料的輸出應(yīng)變量呈非線性,在反復(fù)磁化過程中還將出現(xiàn)明顯的應(yīng)變量滯回特性。渦流、磁滯損耗不僅會降低超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)元件的能量轉(zhuǎn)換效率,還會改變超磁致伸縮致動(dòng)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(yán)重影響致動(dòng)器機(jī)械特性輸出的控制精度。少數(shù)文獻(xiàn)研究了超磁致伸縮材料的渦流損耗以及渦流對應(yīng)變量非線性的影響,其中,文獻(xiàn)在Jiles-Atherton模型的基礎(chǔ)上對超磁致伸縮材料的滯回特性進(jìn)行了較完善的分析,文獻(xiàn)較詳細(xì)地分析了動(dòng)態(tài)勵(lì)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(nèi)部磁參量與機(jī)械參量之間的相互耦合,也沒有考慮壓磁效應(yīng)對渦流損耗的影響。目前已有的文獻(xiàn)只是對交流勵(lì)磁下的磁場進(jìn)行分析,針對致動(dòng)器中的能量損耗及其對致動(dòng)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(zhuǎn)換機(jī)理和磁學(xué)理論,研究了磁彈性力作用下超磁致伸縮棒中磁場的表達(dá)式,分析了驅(qū)動(dòng)頻率對超磁致伸縮材料的磁滯、渦流損耗的影響以及復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的頻率特性,對致動(dòng)器中超磁致伸縮材料以及導(dǎo)磁回路的能量損耗進(jìn)行仿真分析,在此基礎(chǔ)上仿真實(shí)驗(yàn)得到了不同驅(qū)動(dòng)頻率下超磁致伸縮致動(dòng)器的溫升特性,為超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)元件的分析設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。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(shù)的確定在交流勵(lì)磁作用下,由集膚效應(yīng)可知,在鐵磁材料的表面將產(chǎn)生渦流,渦流的存在將消耗一部分能量,從而降低機(jī)構(gòu)能量的轉(zhuǎn)換效率,更重要的是,渦流將誘發(fā)出一個(gè)與勵(lì)磁磁場方向相反的磁場,對裝置機(jī)構(gòu)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(chǎn)生于勵(lì)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(lì)磁磁場的大小和驅(qū)動(dòng)頻率的影響。由壓磁效應(yīng)可知,應(yīng)力的作用將使得材料的磁化發(fā)生改變,也就是說,應(yīng)力的作用將使得超磁致伸縮材料的磁導(dǎo)率發(fā)生改變,從而影響材料的磁化過程,而磁導(dǎo)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(shí),需考慮應(yīng)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(qiáng)度,B為磁通密度,γ為超磁致伸縮材料的電導(dǎo)率。對于超磁致伸縮材料,應(yīng)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(yīng)力對磁導(dǎo)率的影響來進(jìn)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(yù)壓力,μ為材料的磁導(dǎo)率。在超磁致伸縮材料中,磁場H對磁導(dǎo)率的影響可以通過磁化過程中所產(chǎn)生的磁彈性力來進(jìn)行等效,即B=μ(σ,σi)?H,其中σi為磁化過程所產(chǎn)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(shí),超磁致伸縮材料中的磁疇將處于易磁化方向,當(dāng)外加磁場作用時(shí),磁疇將發(fā)生偏轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)向磁場平行方向,在無磁場作用下,磁疇處于內(nèi)應(yīng)力方向,外在載荷的作用將使得磁疇偏轉(zhuǎn),即轉(zhuǎn)向Ms方向。影響超磁致伸縮材料內(nèi)部磁疇偏轉(zhuǎn)的能量主要有:預(yù)壓應(yīng)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(dá)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(dǎo)率;K1為磁晶各向異性常數(shù);λs為飽和磁致伸縮系數(shù);Ms為飽和磁化強(qiáng)度。由于超磁致伸縮材料在磁化過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較大,材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力與外在的預(yù)壓應(yīng)力都將限制磁疇發(fā)生偏轉(zhuǎn),再加上磁晶各向異性能的作用,所以磁疇實(shí)際所偏轉(zhuǎn)的角度θ較小,由能量極小值條件?F/?θ=0(F為材料內(nèi)部的總自由能),可得到θ的表達(dá)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(yīng)力作用(σ=0)時(shí),磁化率為在多晶體中各個(gè)磁疇的易磁化方向是各異的,設(shè)每個(gè)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(dǎo)率較小,而且磁化曲線在非飽和區(qū)域具有較好的線性關(guān)系,所以此處可采用材料的起始磁導(dǎo)率來等效材料的磁導(dǎo)率,在不考慮預(yù)壓力作用下材料的磁導(dǎo)率為在交流勵(lì)磁H=Hmejωt作用下材料中所產(chǎn)生的磁彈性能為σi=σimejωt,其中Hm和σim分別為磁場與應(yīng)力的幅值,則無預(yù)壓力作用下的磁場密度為為驅(qū)動(dòng)頻率作用下超磁致伸縮材料的磁導(dǎo)率),在超磁致伸縮棒中,勵(lì)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(biāo)參量;ω為驅(qū)動(dòng)頻率。強(qiáng)度的分布為式中:;J0為第1類零階貝塞爾函數(shù);r0為超磁致伸縮材料的半徑;ri為(0,r0)內(nèi)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(dǎo)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(shù)表達(dá)式,復(fù)數(shù)為磁彈性力對磁場建立的影響,復(fù)數(shù)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(shù)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(shí)渦流的存在也將使超磁致伸縮材料內(nèi)部產(chǎn)生渦流損耗,高頻下超磁致伸縮材料內(nèi)的渦流損耗將是超磁致伸縮致動(dòng)器中溫升分布的關(guān)鍵。由式(10)可知半徑為u區(qū)域內(nèi)的磁通為式中:Bz為磁通密度的軸向分量;Bm為交流勵(lì)磁磁通密度的幅值;J1為第1類一階貝塞爾函數(shù)。由于實(shí)際應(yīng)用中選取的超磁致伸縮材料半徑較小,材料內(nèi)部磁場的均勻性較好,在此假設(shè)材料內(nèi)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(yīng)電動(dòng)勢為則平均時(shí)間內(nèi)的渦流損耗為式中:l為材料的軸向長度;T為時(shí)間周期;p為一個(gè)周期內(nèi)某一時(shí)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(qū)動(dòng)頻率外,材料的結(jié)構(gòu)尺寸、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率都是影響渦流損耗的重要參數(shù)。圖1為由式(14)計(jì)算得到的致動(dòng)器中超磁致伸縮材料內(nèi)部渦流損耗與有限元仿真結(jié)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(shù)變化關(guān)系;由于材料的磁導(dǎo)率較小,計(jì)算過程中假定渦流沿軸向均勻分布,所以實(shí)際計(jì)算得到的渦流損耗的數(shù)據(jù)將大于仿真數(shù)據(jù),在低頻下,仿真數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)吻合較好,但隨著頻率的增大,兩種渦流損耗的數(shù)據(jù)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(nèi)部渦流損耗的計(jì)算。1.3驅(qū)動(dòng)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(xiàn)明顯的滯回現(xiàn)象,從磁場建立的式(10)可知,復(fù)數(shù)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(chǎn)生滯回?fù)p耗。在超磁致伸縮棒中,外在勵(lì)磁所提供的磁場為H=Hmejωt,感應(yīng)出的磁通密度為式中mB′為超磁致伸縮材料內(nèi)部磁通密度的實(shí)際幅值,的存在將使得磁通密度B滯后于磁場強(qiáng)度H,而且H與B之間將呈現(xiàn)明顯的非線性,在此通過分析復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率隨頻率的變化來研究磁化過程中的滯回非線性。驅(qū)動(dòng)頻率下的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率不僅是表征磁場建立的關(guān)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(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的表達(dá)式,其中μm為磁導(dǎo)率的幅值。圖2為超磁致伸縮材料磁導(dǎo)率隨頻率變化的關(guān)系曲線,從圖中可知,隨著頻率的增大,彈性磁導(dǎo)率μ′將減小,而損耗磁導(dǎo)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(qū)動(dòng)頻率的增大而減小,而磁能儲能能力將是能量輸出的關(guān)鍵,所以,驅(qū)動(dòng)頻率的增大將會降低超磁致伸縮材料的能量轉(zhuǎn)換效率。由復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的虛部意義可知,隨著磁化的進(jìn)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(yīng)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(dòng)器中溫升的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。相位角δ下的磁滯損耗為則材料中的磁滯損耗為2致動(dòng)器能量損耗與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)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(jī)械性能輸出。在超磁致伸縮致動(dòng)器中,勵(lì)磁線圈除提供勵(lì)磁磁場外,還將作為一個(gè)熱源向致動(dòng)器中傳遞熱量,從而改變致動(dòng)器的溫度分布。在交流勵(lì)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(gè)熱源,直接影響超磁致伸縮材料的溫度分布,這種現(xiàn)象在高頻下更加明顯,而這種情況下對溫度進(jìn)行控制非常困難。實(shí)驗(yàn)中選用Φ5×40的超磁致伸縮材料設(shè)計(jì)GMA,GMA結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示,其相關(guān)參數(shù)如表1所示,其中勵(lì)磁線圈繞制在尼龍骨架上,選用10#鋼與超磁致伸縮材料構(gòu)成導(dǎo)磁回路,結(jié)合交流勵(lì)磁下的能量損耗,利用ANSYS仿真軟件和實(shí)驗(yàn)測試平臺對致動(dòng)器的溫度分布進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)分析。圖5為有限元模型仿真得到的致動(dòng)器中能量損耗與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系曲線。由圖5可知,驅(qū)動(dòng)頻率將影響超磁致伸縮材料內(nèi)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(dǎo)率非常小,在材料的端部存在較大的漏磁,而且勵(lì)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(dǎo)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(qū)動(dòng)頻率的增加會增大材料內(nèi)部損耗的不均勻性。通過對比GMA內(nèi)部能量損耗數(shù)據(jù)可知,超磁致伸縮材料中的能量損耗將成為除勵(lì)磁線圈以外的另一個(gè)重要熱源。圖6為仿真得到的勵(lì)磁10s后超磁致伸縮材料溫度分布隨頻率的變化關(guān)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(shí)材料中的能量損耗較小,材料上的溫度變化主要是由勵(lì)磁線圈向材料傳遞熱量導(dǎo)致的,當(dāng)高頻勵(lì)磁作用時(shí),材料內(nèi)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(lì)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(nèi)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(chǎn)生與傳遞將是直接影響GMA中溫度分布的關(guān)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(qū)動(dòng)器中的熱傳遞,實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)算得到的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,進(jìn)一步驗(yàn)證了能量損耗計(jì)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(lì)磁線圈將成為超磁致伸縮材料的主要熱源,使得通電結(jié)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(dòng)器中溫升的關(guān)鍵,在通電結(jié)束時(shí)會存在一個(gè)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(shù)指標(biāo)的前提下選用中空超磁致伸縮材料研制了致動(dòng)器,采用超磁致伸縮材料內(nèi)部強(qiáng)制水冷的方式來限制高頻的溫升,得到了高頻下致動(dòng)器在有、無冷卻裝置下的溫度數(shù)據(jù),結(jié)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(nèi)部的溫升,而且冷卻過程中溫度下降效果明顯,但是致動(dòng)器中溫度變化還是較為明顯,在致動(dòng)器的設(shè)計(jì)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(dòng)器中的溫升,為致動(dòng)器在高頻