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(duì)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(guò)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(jí)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(shì)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(huì)削弱勵(lì)磁線圈所提供的磁場(chǎng),改變磁場(chǎng)的均勻性分布,對(duì)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(guò)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(guò)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(huì)降低超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)元件的能量轉(zhuǎn)換效率,還會(huì)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(méi)有考慮壓磁效應(yīng)對(duì)渦流損耗的影響。目前已有的文獻(xiàn)只是對(duì)交流勵(lì)磁下的磁場(chǎng)進(jìn)行分析,針對(duì)致動(dòng)器中的能量損耗及其對(duì)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(chǎng)的表達(dá)式,分析了驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)方向相反的磁場(chǎng),對(duì)裝置機(jī)構(gòu)帶來(lái)去磁的效果,從而降低磁場(chǎng)的利用率。對(duì)鐵磁材料而言,渦流主要產(chǎn)生于勵(lì)磁磁場(chǎng)的建立過(guò)程中,渦流的大小取決于磁場(chǎng)的變化快慢,主要受勵(lì)磁磁場(chǎng)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(shuō),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(guò)程,而磁導(dǎo)率的改變會(huì)影響材料中的渦流分布,所以對(duì)于超磁致伸縮材料,在分析渦流損耗時(shí),需考慮應(yīng)力對(duì)渦流的影響。在麥克斯韋(maxwell)方程組中,忽略電位對(duì)磁場(chǎng)的作用可得超磁致伸縮材料的磁場(chǎng)方程:?×(?×H)=-γ?B/?t,其中H為磁場(chǎng)強(qiáng)度,B為磁通密度,γ為超磁致伸縮材料的電導(dǎo)率。對(duì)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(guò)應(yīng)力對(duì)磁導(dǎo)率的影響來(lái)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(chǎng)H對(duì)磁導(dǎo)率的影響可以通過(guò)磁化過(guò)程中所產(chǎn)生的磁彈性力來(lái)進(jìn)行等效,即B=μ(σ,σi)?H,其中σi為磁化過(guò)程所產(chǎn)生的磁彈性力。由能量極小值條件可知,在無(wú)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(chǎng)作用時(shí),磁疇將發(fā)生偏轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)向磁場(chǎng)平行方向,在無(wú)磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(chǎng)方向上的分量,在無(wú)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(duì)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(lái)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(chǎng)與應(yīng)力的幅值,則無(wú)預(yù)壓力作用下的磁場(chǎng)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(chǎng)主要集中在軸線z方向,磁場(chǎng)方程可簡(jiǎn)化為式中:Hz為z方向上的磁場(chǎng)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(guò)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(chǎng)的函數(shù)表達(dá)式,復(fù)數(shù)為磁彈性力對(duì)磁場(chǎng)建立的影響,復(fù)數(shù)的模為對(duì)磁場(chǎng)大小的影響,相位角為對(duì)磁場(chǎng)建立的滯后性的影響。1.2材料參數(shù)對(duì)超磁致伸材料性能的影響渦流會(huì)使得超磁致伸縮材料中磁場(chǎng)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(chǎng)的均勻性較好,在此假設(shè)材料內(nèi)部磁場(chǎng)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(shì)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(zhǎng)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(duì)比(有限元模型參見(jiàn)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(shì)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(guò)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(duì)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(guò)程中將出現(xiàn)明顯的滯回現(xiàn)象,從磁場(chǎng)建立的式(10)可知,復(fù)數(shù)為考慮磁彈性力作用下渦流對(duì)磁場(chǎng)的影響因子,其相位角為磁場(chǎng)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)分析復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率隨頻率的變化來(lái)研究磁化過(guò)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(chǎng)建立的關(guān)鍵參量,而且對(duì)磁性材料的儲(chǔ)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(shuō),超磁致伸縮材料的儲(chǔ)能能力隨驅(qū)動(dòng)頻率的增大而減小,而磁能儲(chǔ)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(huì)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(chǎng)建立過(guò)程中超磁致伸縮材料將具有明顯的磁場(chǎng)滯后性,圖3為驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)超磁致伸縮材料磁場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(jiǎn)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(cè)試平臺(tái)對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(huì)增大材料內(nèi)部損耗的不均勻性。通過(guò)對(duì)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(duì)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(chǎng)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(lái)模擬驅(qū)動(dòng)器中的熱傳遞,實(shí)驗(yàn)中通過(guò)表貼在超磁致伸縮材料中間位置的pt100溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)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(duì)比。由圖7可知,通過(guò)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(shì)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(huì)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(lái)限制高頻的溫升,得到了高頻下致動(dòng)器在有、無(wú)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(guò)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(guò)程中可選取沿軸向切片的超磁致伸縮材料來(lái)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