超磁致伸縮致動器的整體溫控裝置

超磁致伸縮致動器的整體溫控裝置

0gma熱變形的控制超磁膨脹材料是一種新型有效的磁能機械轉(zhuǎn)換材料。根據(jù)超磁膨脹材料在磁體變化過程中的收縮變形而成的超磁擴張動器（pga），具有輸出能力大、位移分辨率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。然而,GMA電磁線圈(包括驅(qū)動線圈和偏置線圈)通電工作時有發(fā)熱現(xiàn)象,對超磁致伸縮棒的影響顯著而不可忽略,發(fā)熱不僅會造成磁致伸縮棒的熱變形,也會影響磁致伸縮系數(shù)的穩(wěn)定性。因此,必須采取有效措施來抑制熱影響,以保證GMA的精密輸出。目前,抑制GMA熱變形的方法主要有強制冷卻和被動補償。被動補償方法采用軟件或特定機構(gòu)來補償超磁致伸縮棒的熱變形,以消除或減小發(fā)熱對GMA的輸出影響。被動補償容易實現(xiàn),成本低,但僅適合于中小功率系統(tǒng),且補償量難以控制,精度較低,因此,對致動器輸出精度要求嚴(yán)格的場合,一般采用恒溫水強制冷卻。強制冷卻(水冷或油冷)采用恒溫液體流過驅(qū)動器內(nèi)部,使其內(nèi)部溫度保持穩(wěn)定,從而限制磁致棒和輸出軸的受熱伸長。但是從目前的文獻來看,強制冷卻方法主要用于超磁致伸縮棒的溫控,而普遍忽略了致動器殼體及其他部件的熱變形。本文在分析GMA熱變形影響的基礎(chǔ)上,結(jié)合實驗論證,認為在大功率、超高精度場合進行致動器的整體溫控是必要的。筆者設(shè)計并制作了一臺GMA樣機,在其電磁線圈的骨架中設(shè)置了內(nèi)外兩個水冷腔。該樣機在恒溫水的作用下,不僅能控制超磁致伸縮棒的溫升,也可以有效抑制線圈發(fā)熱對殼體等造成的熱影響。1sdm的熱變形分析GMA熱源主要來自于電磁線圈通電發(fā)熱、機械滯回效應(yīng)以及超磁致伸縮棒伸縮時與周圍摩擦生熱等。1.1熱變形的影響GMA發(fā)熱后對其輸出精度產(chǎn)生影響,主要體現(xiàn)在三個方面:引起超磁致伸縮棒熱膨脹;導(dǎo)致磁致伸縮系數(shù)不穩(wěn)定;引起殼體及其他部件熱膨脹。(1)膨脹系數(shù)和熱變形s的計算線圈熱量傳導(dǎo)至磁致棒,將使超磁致伸縮棒的溫度升高。超磁致伸縮材料的線膨脹系數(shù)約為αl=12×10-6K-1。以本文選用規(guī)格為?8mm×50mm的超磁致伸縮棒為例,溫度升高10℃,其熱變形S按下式計算竟達6μm:S=αlΔtl(1)式中,Δt為溫度變化;l為超磁致伸縮棒長度。(2)溫度對磁致伸縮系數(shù)的影響超磁致伸縮材料對溫度非常敏感,集中體現(xiàn)在溫度對磁致伸縮系數(shù)的影響上。圖1顯示了在預(yù)壓力為13.8MPa下溫度對超磁致材料的磁致伸縮系數(shù)λ的影響。從圖中可以看出,不同磁場強度H時溫度t對磁致伸縮系數(shù)λ的影響稍有差異,但其總體規(guī)律是相同的。即溫度在40℃以下時,磁致伸縮系數(shù)λ隨溫度上升而迅速增大;溫度在40～50℃之間時,磁致伸縮系數(shù)λ較為穩(wěn)定;溫度超過50℃時,磁致伸縮系數(shù)λ隨溫度上升而緩慢減小。以圖1中磁場強度H=159.2A/mm為例,溫度在20℃和30℃時,其磁致伸縮系數(shù)λ分別為1.1×10-3和1.3×10-3,由此導(dǎo)致相同磁場激勵下GMA輸出差異達20%。(3)引起殼體和其他部件的熱腫脹電磁線圈產(chǎn)生的熱量,不僅影響超磁致伸縮棒,也會由外表面及兩個端面?zhèn)飨蛑車h(huán)境,導(dǎo)致殼體、輸出軸及底座的熱變形。1.2致動器內(nèi)部溫度分布考慮熱效應(yīng)時的GMA輸出應(yīng)變模型為ε=σ1E1+σ2E2+σ3E3+λH+αl1Δt1=αl2Δt2+αl3Δt3(2)ε=σ1E1+σ2E2+σ3E3+λΗ+αl1Δt1=αl2Δt2+αl3Δt3(2)式中,σ1、σ2、σ3分別為磁致伸縮棒、輸出軸、底座的內(nèi)應(yīng)力;E1、E2、E3分別為超磁致伸縮棒、輸出軸、底座材料的楊氏模量;αl1、αl2、αl3分別為超磁致伸縮棒、輸出軸、底座材料的線膨脹系數(shù);Δt1、Δt2、Δt3分別為磁致伸縮棒、輸出軸、底座的溫度變化。物理和幾何參數(shù)選定后,式(2)中第一個等號的后4項與致動器受力狀態(tài)、磁場強度有關(guān),較易確定。第二個等號前的1項和后面的2項涉及致動器內(nèi)部溫度分布。致動器中熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)過程比較復(fù)雜,假設(shè)材料各向同性,以帶熱源的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程來描述致動器內(nèi)溫度分布:?t?τ=a(?2t?r2+1r?t?r+1r2?2t?θ2+?2t?z2)+Qρc?t?τ=a(?2t?r2+1r?t?r+1r2?2t?θ2+?2t?z2)+Qρc(3)式中,t為溫度;τ為時間;a為熱擴散率;Q為單位體積產(chǎn)熱量;ρ、c分別為傳熱體密度和質(zhì)量熱容;r、z、θ為圓柱坐標(biāo)的坐標(biāo)軸。式(2)和式(3)計算復(fù)雜,參數(shù)不易辨識,邊界難以確定。本文在定性分析的基礎(chǔ)上,采用實驗方法,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)指導(dǎo)溫控裝置設(shè)計。1.3測試結(jié)果及分析選用規(guī)格為?8mm×50mm的國產(chǎn)超磁致伸縮棒設(shè)計制作了一臺GMA樣機,參數(shù)如下:驅(qū)動線圈有870匝,線徑為0.9mm,阻值為3.8Ω;偏置線圈有210匝,線徑為0.9mm,阻值為1.4Ω;輸入電流為0～4A;偏置電流為0.3A;預(yù)緊力為300N;致動器行程為51μm。以圖2所示的測試框圖進行GMA在無溫控情況下的熱變形測試。以輸入電流分別為0.1A、0.3A、0.5A、0.8A、1A、1.5A進行多組測試。考慮到無溫控情況下大電流、長時間測試可能損壞線圈,故未進行更大電流的實驗。測試時保持致動器輸入電流恒定,每隔2min采樣一次GMA輸出位移并記錄,測試時間為60min,測試需要保證環(huán)境溫度的穩(wěn)定。測試結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出:(1)致動器輸入電流I在0.5A及以下時,熱變形對其位移輸出影響較小。這是因為本文選用的GMA驅(qū)動線圈是直徑為0.9mm漆包線繞成的,線圈阻值僅3.8Ω,當(dāng)電流強度I=0.5A時,按I2R計算其發(fā)熱功率,再加上偏置線圈發(fā)熱功率,總共僅1W。(2)致動器輸入電流I=0.8A時,熱變形對致動器位移輸出影響較大,致動器位移輸出隨時間而增大,在60min時間內(nèi)位移增長了0.63μm。(3)致動器輸入電流I=1.5A時,線圈發(fā)熱對其位移輸出影響很大,特別是在5～40min之間,輸出位移增幅較大,因為此時線圈產(chǎn)生的熱量迅速傳導(dǎo)至超磁致伸縮棒。50min以后,輸出位移增幅變小甚至穩(wěn)定下來,此時,致動器已達到熱平衡,線圈發(fā)熱量和致動器因與周圍環(huán)境的溫差引起的散熱量相當(dāng)。從以上實驗數(shù)據(jù)可知,在大電流、長時間的工作場合,必須對GMA進行溫控,才能保證致動器輸出穩(wěn)定。2水溫保持系統(tǒng)及熱變形測試強制冷卻可以采用水冷腔,也可采用銅水管進行冷卻。采用銅水管方式時,水阻大,不易布置。本文采用水冷腔方式,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用硬鋁材料制作了一個圓環(huán)工字型套筒,與線圈骨架內(nèi)圈成過盈配合,并以膠密封。套筒與骨架之間形成一個封閉的腔體,并通過底座上的兩個直角孔分別與入水口和出水口相通。以泵為驅(qū)動力,將冷卻水壓入腔體。在泵的壓力作用下,冷卻水通過軟管從入水口流入水冷腔,充滿整個腔體后,經(jīng)出水口流出,最后通過軟管流回水箱,循環(huán)往復(fù),不停地將線圈熱量帶出。工作中需要保持冷卻水溫度恒定,為此,本文設(shè)計了專門的水溫保持系統(tǒng),如圖5所示,在水箱中設(shè)置了溫度傳感器、電熱絲、攪拌器等,并通過相應(yīng)的電路和控制器形成溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。對于冷卻水,一方面線圈熱量使之溫度升高,另一方面,由于水的初始溫度高于室溫,熱量散發(fā)到周圍環(huán)境而導(dǎo)致溫度降低。水箱中的水量足夠多時,水溫降低的趨勢總是大于升高的趨勢。當(dāng)水溫低于設(shè)定值時,可由溫度傳感器檢測出,并經(jīng)測溫電路發(fā)送至計算機控制系統(tǒng),系統(tǒng)啟動電熱絲,水溫升高,達到設(shè)定值。仍以圖2所示的測試框圖進行熱變形測試,室溫為25℃,恒溫水溫度為30℃。系統(tǒng)開機前,啟動水泵,對GMA通入恒溫水,保持30min,達到熱平衡后,開始測試。結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出,GMA輸入電流I在0.8A及以下時,輸出位移隨時間保持穩(wěn)定,表明此時在水冷條件下,其溫控效果是顯著的。更大電流輸入時,致動器輸出位移基本保持穩(wěn)定,但隨著時間而緩慢增長。輸入電流I=1.5A,位移在60min內(nèi)增長了0.1μm。輸入電流I=2.0A,位移在60min內(nèi)增長了0.51μm,并且保持繼續(xù)增長的趨勢。在水溫控制系統(tǒng)的作用下,恒溫水溫度保持不變。經(jīng)測量,殼體溫度升高至32.7℃。分析原因,線圈熱量經(jīng)線圈外表面?zhèn)鲗?dǎo)至殼體,并經(jīng)殼體傳至輸出軸和底座,使之發(fā)生熱變形,影響了輸出位移精度。因此,當(dāng)GMA工作在大電流時需要考慮線圈的整體散熱。3改進后的裝置控制板設(shè)計改進水冷裝置的目的是達到更好的溫控效果。改進后的水冷裝置如圖7所示,即在原裝置的基礎(chǔ)上增加了一個外冷腔。在線圈兩端安裝隔熱板,阻止線圈熱量從骨架兩端傳導(dǎo)。骨架、圓筒、內(nèi)外套筒材料均采用硬鋁。圓筒與外套筒、外套筒與骨架、骨架與內(nèi)套筒之間均采用過盈配合,并以膠密封。圓筒與外套筒形成一個封閉的外冷腔,骨架與內(nèi)套筒形成一個封閉的內(nèi)冷腔。內(nèi)外冷腔通過頂部的孔相連通。外冷腔通過底部的孔與底座的入水口相連通。內(nèi)冷