基于磁化机理的超磁致伸缩执行器磁滞模型

第16卷第1期功能材料与器件学报V o l .16,N o .12010年2月J O U R N A LO FF U N C T I O N A LM A T E R I A L S A N DD E V I C E SF e b .,2010文章编号:1007-4252(2010)01-0041-06收稿日期:2008-12-03; 修订日期:2009-03-05基金项目:精密与特种加工教育部重点实验室开放课题(J M T Z 200702),宁波市教育局项目(J d 060440).作者简介:韩同鹏(1983.10-),宁波大学工学院机械电子工程专业硕士研究生。

主要从事机电一体化装备的研究(E-m a i l :h t p 83101011@163.c o m ).基于磁化机理的超磁致伸缩执行器磁滞模型韩同鹏,李国平(宁波大学工学院)摘要:通过分析超磁致伸缩材料磁畴在外加磁场作用下的运动规律,建立了超磁致伸缩执行器基于磁化机理的磁滞模型。

该模型结合执行器的工作条件,充分考虑了材料的非线性和滞回特性。

模型包括磁致伸缩和磁化两个子模型,磁致伸缩模型描述了材料应变λ跟磁化强度M 之间的关系;磁化模型描述了有效磁场H e f f 、无磁滞磁化M a n 、可逆磁化M r e v 、不可逆磁化M i r r 、总磁化强度M 之间的关系。

通过对实验测试结果进行分析,验证了模型能准确描述输入电流I 与输出应变λ之间的关系。

关键词:超磁致伸缩执行器;磁滞模型;磁机耦合中图分类号:T H 703 文献标识码:AMa g n e t i z a t i o n -B a s e dH y s t e r e s i s Mo d e l f o r a G i a n t Ma g n e t o s t r i c t i v e A c t u a t o rH A NT o n g -p e n g ,L I G u o -p i n g(I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g ,N i n g b o U n i v e r s i t y )A b s t r a c t :B a s e d u p o n a n a n a l y s i s o f t h e m o t i o nl a wo f g i a n t m a g n e t o s t r i c t i v e m a t e r i a l m a g n e t i c d o m a i n u n d e r m a g n e t i c f i e l d ,a h y s t e r e s i s m o d e l o f m a g n e t i z a t i o n -b a s e d f o r a g i a n t m a g n e t o s t r i c t i v e a c t u a t o r i s e s t a b l i s h e d .T h e m o d e l i n c o r p o r a t e s o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f t h e a c t u a t o r a n d f u l l y c o n s i d e r s n o n l i n e a r a n d h y s t e r e s i s c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e m a t e r i a l .I t i n c l u d e s t w o s u b -m o d e l s :m a g n e t o s t r i c t i o n a n d m a g n e t i z a -t i o n .T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s t r a i n λa n d t h e m a g n e t i z a t i o n M i s i l l u s t r a t e d i n t h e m a g n e t o s t r i c t i o n m o d e l .T h e m a g n e t i z a t i o n m o d e l d e s c r i b e s t h e r e l a t i o n s h i p s a m o n g s t t h e e f f e c t i v e f i e l d H e f f ,t h e a n h y s t e r -e t i c m a g n e t i z a t i o n M a n ,t h e r e v e r s i b l e m a g n e t i z a t i o n M r e v ,t h e i r r e v e r s i b l e m a g n e t i z a t i o n M i r r a n d t h e t o t a l m a g n e t i z a t i o n M ,T h e m o d e l i s p r o v e dt o b e a b l e t o d e s c r i b e t h e r e l a t i o n a c c u r a t e l y b e t w e e nt h e i n p u t c u r r e n t I a n d t h e o u t p u t s t r a i n λb y a n a l y z i n g t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t .K e y w o r d s :g i a n t m a g n e t o s t r i c t i v e a c t u a t o r ;h y s t e r e s i s m o d e l ;m a g n e t o -m e c h a n i c a l c o u p l i n g0　引言超磁致伸缩材料(G i a n t M a g e t o s t r i c t i v e M a t e r i -a l ,G M M )是一种新型的功能材料,在磁场激励作用下能产生比传统磁致伸缩材料大几个数量级的应变输出。

由该材料制成的超磁致伸缩执行器(G i a n t M a g n e t o s t r i c t i v e M a t e r i a l A c t u a t o r,G M A)具有伸缩系数大,输出力大,响应速度快,准确度高等特点,并且能够由低电压驱动,对环境温度的要求也比较低[1]。

在振动主动控制、机器人位移调节及智能结构等精密工程领域具有广泛的应用前景。

在实际的动态控制应用中,超磁致伸缩执行器的输入电流与输出位移间呈现出显著的非线性和由材料固有特性所导致的滞回特性。

这将影响超磁致伸缩材料的实际应用。

另外,G M M的磁致伸缩作用很容易受到如温度、机械预紧力(m e c h a n i c a l p r e-s t r e s s)、磁场激励(m a g n e t i c e x c i t a t i o n)、外载(e x t e r-n a l l o a d s)等操作条件的影响,这些操作条件的作用使得以G M M为核心部件的超磁致伸缩执行器的设计及测试过程更加困难[2]。

目前对于G M M的建模方法简要概括为以下两种:第一,现象学和实验技术,包括P r e i s a c h模型。

该建模方法的应用避免了执行器非模型的物理参数。

P r e i s a c h模型与物理过程之间存在潜在的联系,相比于物理学模型它缺少对于物理动力学的描述,因此,实验模型的建立需要测定大量非物理学的参数,并且模型不易适应操作条件的变化[3]。

第二,通过研究执行器的致动机理,建立G M M的物理动力学模型。

该建模方式,应用灵活,模型中物理参数少,并且可通过数值分析获得各参数值,计算量相对较小;所建立的模型经扩展可应用于多种温度、频率等操作条件和结构不同的执行器[2]。

建立执行器准确的动力学模型,应当以有利于材料在磁场作用下充分发挥其伸缩特性为原则,并使执行器适用于多种操作条件。

因此,模型须满足以下三个方面的要求:描述材料的非线性;准确描述主要(对称)的磁滞环;充分考虑由于操作条件的变化对控制器设计产生的影响。

需要指出的是执行器输出应变源于其核心部件T e r f e n o l-D棒(G M M)对于输入(即磁场应力)的响应。

因此,该模型适用于各种不同的执行器结构,只要这类执行器结构的应变沿着T e r f e n o l-D棒伸缩应变的轴向方向即可。

由于执行器部件的多样性和T e r f e n o l-D棒的磁弹性特征,模型中的参数须由执行器材料和部件共同决定。

也就是说,模型可应用于多种装置,而对于给定的执行器结构,其参数值须经过辨识确定。

1　执行器的结构图1是一种超磁致伸缩执行器的结构图。

G M A是利用棒形超磁致伸缩材料在外部磁场大小发生变化时产生相应伸缩变形而设计制作的[4],其结构主要包括超磁致伸缩棒、激励线圈、偏置线圈、预紧结构等,执行器中的G M M采用国产T e r f e n o l-D(T b0.3D y0.7F e1.9)。

执行器的相关结构参数在表1中给出。

1.拧紧螺母2.预压弹簧3.输出杆4.线圈5.磁致伸缩棒6.外套7.线圈骨架8.橡胶圈9.底座F i g.1　S t r u c t u r e o f a g i a n t m a g n e t o s t r i c t i v e a c t u a t o r图1　超磁致伸缩执行器结构表1　超磁致伸缩执行器的主要结构参数T a b.1　C h i e f s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o f t h e a c t u a t o r部件参数G M M棒尺寸/m m激励线圈匝数激励线圈电阻/偏置线圈匝数偏置线圈电阻/骨架材料外套材料螺母材料线圈导线直径/m m8×8010003.34001.3铝A3钢铜0.9根据电磁理论,通电线圈可以产生磁场,通过改变线圈中的电流强度即可使磁场强度发生变化,在磁场的激励作用下G M M发生应变,执行器产生位移输出。