基于磁控形状记忆合金的伺服阀驱动器.pdf

2 0 1 4年 2月 第 4 2卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS F e b ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 3 2 基于磁控形状记忆合金的伺服阀驱动器 涂福泉，毛阳，胡良智，李贺，曾庆斌，刘小双 武汉科技大学冶金装备与控制教育部重点实验室，湖北武汉4 3 0 0 8 1 摘要磁控形状记忆合金 MS M A是一种新型的具有形状记忆功能的功能材料。用这种材料制成的驱动器具有响应 频响高、驱动力大、可控位移大等特点，特别适合于制造高精度大位移运动与位置控制驱动器。根据 MS MA以上优点，研 究基于 MS MA的先导式伺服阀驱动器，设计出一种新型的驱动器结构用弹簧恢复 MS MA形变，直流绕组产生偏磁磁场， 励磁绕组提供可控磁场。通过已有数据分析了材料静态特性，用 MA T L A B软件进行数据分析并且仿真，得到材料的驱动力 及位移与时间的关系，验证了结构设计的合理性。 关键词MS MA；伺服阀驱动器；结构设计；偏置磁场 中图分类号T H一3 9 文献标识码 A 文章编号 S e r v o Va l v e Ac t u a t o r Ba s e d o n M S M A T U F u q u a n ，MA O Y a n g ， H U L i a n g z h i ， L I H e ， Z E N G Q i n g b i n ， L I U X i a o s h u a n g K e y L a b o r a t o r y o f Me t a l l u r g i c a l E q u i p m e n t a n d C o n t r o l T e c h n o l o g y ，Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n ， ’ Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 8 1 ，C h i n a Ab s t r a c t M a g n e t i c s h a p e me m o r y a l l o y s MS MAi s a n e w t y p e o f s h a p e m e m o r y a l l o y s ． T h e a c t u a t o r ma d e w i t h MS MA h a s t h e a d v a n t a g e s o f f a s t s p e e d，h i g h e q u e n c y ，b i g c o n t r o l l e d d i s p l a c e me n t ，me mo ry f u n c t i o n e t c，a n d i s p a r t i c u l a r l y s u i t a b l e f o r h i g h p r e c i s i o n mo t i o n a n d p o s i t i o n c o n t r o 1 ．T h e h i g he q u e n c y s e r v o v a l v e a c t u a t o r b a s e d o n MS MA w a s r e s e a r c h e d ，a n d a n e w t y p e o f a c t u a t o r s t r u c t u r e wa s d e s i g n e ds p r i n g w a s u s e d t o r e c o v e r d e f o r ma t i o n，DC c o i l s wa s u s e d t o p r o d u c e b i a s ma g n e t i c fi e l d，t h e f i e l d c o i l s wa s u s e d t o p r o v i d e c o n t r o l l a b l e ma g n e t i c fi e l d ．T h e ma t e r i a l s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c wa s a n aly z e d t h r o u g h e x i s t i n g d a t a，e l e c t r o ma g n e t i c s i mu l a t i o n wa s ma d e t h r o u g h ANS YS s o f t wa r e ．F i n a l l y t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n d r i v i n g f o r c e a n d d e f o r ma t i o n i s g o t t e n， t h e r a t i o n a l i t y o f t h e s t r u c t u r e d e s i g n i s v a l i d a t e d ． Ke y wo r d s MS MA；Ac t u a t o r ；S t ru c t u r e d e s i g n ；B i a s ma g n e t i c f i e l d 电液伺服系统朝着高频大流量方向发展，以适应 实际工程技术领域的需要。传统以电磁力马达或力矩 马达驱动的电液伺服阀频宽一般较低，难以满足快速 精密反应伺服系统的需求。为此 ，欧 、美、E t 等发达 国家较早已开始进行基于新型功能材料伺服阀驱动器 研究工作，并 已开发出如 P Z T 、P M N、G M M等新型 驱动器 ；我国利用新型功能材料开发高性能伺服阀驱 动器的研究工作起步较晚，目前只有浙江大学、武汉 科技大学、大连理工大学等少数科研院所在进行相关 的研究 ，并取得了一定的研究成果。 磁控形状记忆合金 MS M A是一种新 型功能材 料，其马氏体相在外部磁场作用下可产生较大的变 形，兼具压电陶瓷与磁致伸缩材料响应速度快及温控 形状记忆合金输出应变大 的特点，将其用于伺服 阀 电一机械转换器的驱动部分 ，有望解决 目前新型功能 材料伺服阀驱动器存在的输出位移量偏小的问题 ，具 有 良好 的应用前景 。 1 基于 MS MA材料的驱动器结构设计 MS M A具有在电磁场的激励下响应时间短、单位 长度上能产生较大的驱动位移、单位质量内能产生较 大的机械功率等其他材料所不可比拟的优点。MS M A 材料能够根据磁场方向的变化产生多方位的形变，如 图 1 所示，可以沿着轴向发生应变 ，沿着周向产生扭 转变形，沿着径向发生弯曲变形 。根据 MS M A材 料的这些不同的变形过程，能够根据具体的工程需要 制造出各种各样 的驱动器 。 ≤ 1 三 羊 毛 ； 图 1 MS MA材料的形变形式 但是磁控形状记忆合金在电磁场中发生变形后撤 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 2 2 基金项目国家 自然科学基金资助项目 5 1 1 7 5 3 8 8 ，5 1 1 7 5 3 8 6 作者简介 涂福泉 1 9 7 0 一 ，男，博士，副教授，从事复杂机电液系统研究。Em a i l t f q h b 1 6 3 ． c o m。 1 1 6 机床与液压 第4 2卷 出电磁场不能自行恢复形变，根据材料的应变特性 ， 在需要恢复变形的方向施加作用力 ，使材料恢复形 变，如图2 a 所示，文中通过在材料伸长的方向 用弹簧来施加反方向的作用力使材料恢复形变，如图 2 b 所示 。 位 移 方 向 位 移方 向 ． I ． _ _ ． 图2 MS MA材料恢复形变示意图 使用直流线圈产生偏置磁场和励磁线圈产生可控 磁场的 M S M A驱动器结构如图3 所示 ，图3左侧先导 阀结构如图4所示，先导阀质量0 ． 0 0 2 k g 。该驱动器 通过调节直流电的大小 ，来获得理想的偏置磁场。弹 簧在 MS M A材料没有发生位移的情况下，保持其 自 然长度。在 “ 口”字形铁芯一侧开有 6 m m的间隙， 放置用于驱动 的材料 MS M A，间隙内放置 5 m m 5 m m 2 0 m m的 M S MA材料 ，并确保通过驱动材料的 磁场和材料的伸长方向成 9 0 。 夹角，使材料产生较好 的驱动效果。励磁绕组产生 ， 交流电信号，用来控制 驱动部分的运动；直流绕组产生 ， n 直流信号，通过 调节阻值的大小用来产生和调节偏置磁场。 先 图3 MS MA驱动器结构 H H F F 硼 _ J I I I E L 一 l I-- 1 0 一 l 2 0 图4 阀芯的结构和尺寸 2 M S M A驱动器参数计算以及仿真结果 外加磁场达到 0 ． 5 T时，MS M A材料变形状态基 本上达到饱和状态 ，建模基于 1 MS M A样 品内部的应变 s 、应力 o r 、磁场强度 和磁感应强 度 曰均匀； 2 忽略漏磁通 、涡流对激励电流的抑 制作用； 3 整个运动过程 中 MS M A一端位移为 零 ，另一端始终与负载有相同的位移、速度和加速 度 。 在驱动器的磁路中，绕组线圈的绕制圈数 』 、 ， ，用 于产生激励磁场的电流强度 ， ；通过 MS M A材料磁场 强度 日，间隙大小 g ，磁感应强度 B存在以下关系 N I 坛 1 B 。 H 2 空气中的导磁率 。 4 ,r r 1 0 H ／ m， 为 M S MA 材料相对于客气的磁导率 1 ． 5 。选取外加激励磁 场强度为 0 ． 3 T ，选取 0 ． 2 T作为偏置磁场。激励电 流为 ， 1 A，产 生偏 置磁 场 的直 流 电流 为 ， n 2 A 。 联立式 1 一 2 ，求得 H 2 ． 61 0 T ，绕组 N 5 2 0匝 。 根据 A d a p t a M a t 公司提供的测试数据 ，近似求得 压磁系数 q1 ． 9 9 0 81 0一 ，弹性模量 C 1 ． 9 1 1 O P a 。建立材料的静力学模型，如下建立了应变 ， 磁场参数 B、H，外应力 o r ，压磁系数 q以及在磁场 中材料弹性模量 c 之间的关系 q H 3 棚 B q c r 4 再联立材料长度和应变的关系为 x ／ 1 ，电磁 定律 B A，磁路定律 N I ，得出 【 o r q H 】 5 MS M A等效电流常数K 刚度系数 A ／ z C e f f gC g 』 v 尉 一C a f q ’ 等 效 代人数值计算得，K i 1 2 6 ． 7 N ／ A，K x 2 ． 5 1 0 N／m。 ．为在励磁磁场作用下产生的位移增量，‰ 为 直流信号产生的位移量， 为 MS M A的横向截面积， 为总磁阻 ，驱 动器 的输 出力 可以表述 为 F K i ， 一 K厶一 。 6 由式 6 可理论上计算出驱动力大小为 F 1 2 6 ． 7 N 。驱动器达到 1 ． 2 l n m的位移 。 MS M A驱动器的等效力学模 型如图 5所示，设 为弹簧的刚度系数，C ． B ，B 为黏性摩擦 系数 ，由内摩擦学原理可知 B I ． t T r d l ／ r ；肛为油液 动力黏度 ，文中取其值为 肛 0 ． 0 2 2 5 P a s ，d为设 计滑阀直径 ；z 为阀芯凸肩总长 ；r 为阀芯与阀套间 的间隙，选用 3 p , m。计算得出先导阀黏性摩擦系 数 B 1 ． 5 3 。在文中所涉及的滑阀工作过程中，一 对阀1 3 同时参加工作，压力变化为 卸 ，瞬态 第 3期 涂福泉 等基于磁控形状记忆合金的伺服阀驱动器 1 1 7 液动力为 F L 2 - L 1 c d x v ，在设计 时，先导阀瞬态液动力阻尼系数 B 0 ． 0 6 。等效质 量即阀芯的质量 m 0 ． 0 0 2 k g 。弹簧对 M S MA的作 用可以等效表示为 F m。d d 2 f x 们 d x 7 图5 MS MA驱动器等效力学模型 根据牛顿第二定律 ，MS M A的输出力 F F 1 0 A 8 F mI d d 2 __ f xx B 邶 d x K 一 xK i ， 将 式 9 与 f ， m 2 m 联 0 ． 1 8 6m’ 立 ， 为 阻尼 比，取值 为 o0 ． ． 4 6 ’ 0 ． 2 。用 M A T L A B软 件 对 0 动 移 二 堂图 6 基 于 M s M A 驱 动 器 如 图 6 所 示 。仿真结果显 一 移动态 ’ 示 该材料 的输 出位移先 有小幅震荡 ，最后趋于稳定，表示受力达到平衡。 3结论 仿真结果表明基于 MS M A的驱动器满足伺服 阀的工作要求 ，证 明 MS M A材料有望成为新一代驱 动器的重要材料。但是磁控形状记忆合金新型功能材 料的应用研究还处于起步阶段 ，新型 MS M A材料仍 面临温度 、滞后、能量损失等许多问题 ，需要进一步 深入研究 。 参考文献 【 1 】T E L L I N E N J ， S U O R S A I ， J A A s K E I N E N A， e t a 1 ． B a s i c P r o p e r t i e s o f Ma g n e t i c S h a p e Me m o r y A c t u a t o r s [ C ] ／ ／ A c - t u a t o r 2 0 0 2， B r e me n G e r ma n y ， 2 0 0 2． 【 2 】 王社良， 代建波， 赵祥， 等． 磁控形状记忆合金在结构振 动控制中的应用研究 [ J ] ． 噪声与振动控制 ， 2 0 1 0 3 【 3 】 张晶． 磁控形状记忆合金微位移执行器模型 的研究 [ D ] ． 沈阳 沈阳航空工业学院， 2 0 1 0 3 2 3 4 ． 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