基于COMSOL的超磁致伸缩作动器磁路仿真及优化_刘洋.pdf

第 42 卷第 3 期2023 年 6 月兰州交通大学学报Journal of Lanzhou Jiaotong UniversityVol 42 No 3Jun 2023收稿日期:2022-11-27学报网址:https:/lztx cbpt cnki net基金项目:国家自然科学基金(62063013)第一作者:刘洋(1985 )，男，吉林洮南人，博士研究生，主要研究方向为列车主动悬架超磁致伸缩作动器应用研究。E-mail:0119041stu lzjtu edu cn通讯作者:孟建军(1966 )，男，河南淮阳人，教授，博士生导师，主要研究方向为车辆智能控制理论及应用。E-mail:mengjj1966163 com文章编号:1001-4373(2023)03-0079-06DOI:10 3969/j issn 1001-4373 2023 03 011基于 COMSOL 的超磁致伸缩作动器磁路仿真及优化刘洋1，孟建军2，3，4，汤瑞1，李德仓2，3，4，孟高阳1(1 兰州交通大学 机电工程学院，兰州730070;2 兰州交通大学 机电技术研究所，兰州730070;3 甘肃省物流及运输装备信息化工程技术研究中心，兰州730070;4 甘肃省物流与运输装备行业技术中心，兰州730070)摘要:提出一种超磁致伸缩作动器(GMA)结构，使用激励线圈与永磁体组合的方式提供驱动磁场。基于电磁学原理，首先建立了磁路的数学模型，然后使用 COMSOL Multiphysics 软件建立了 GMA 的有限元模型，分析了内部磁路开闭路以及导磁材料的相对磁导率对超磁致伸缩材料(GMM)棒中心线上的磁感应强度及均匀度的影响，同时以GMM 棒中心线上的磁感应强度及均匀度作为评价指标，对上导磁体结构进行了优化设计。仿真结果表明，内部磁路闭合及适当增大导磁材料相对磁导率能够有效提高 GMM 棒中心线上的磁感应强度。上导磁体结构优化后，GMM 棒中心线上的磁感应强度最终增加了 0 18 T，均匀度提升至 92%。关键词:超磁致伸缩作动器;磁路;COMSOL Multiphysics;磁感应强度中图分类号:TH136文献标志码:AMagnetic Circuit Simulation and Optimization of GiantMagnetostrictive Actuator Based on COMSOLLIU Yang1，MENG Jian-jun2，3，4，TANG ui1，LI De-cang2，3，4，Meng Gao-yang1(1 School of Mechanical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China;2 MechatronicsT Institute，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China;3 Engineering and Technology esearch Centerof Logistics and Transportation Equipment Information of Gansu Province，Lanzhou 730000，China;4 Gansu Logistics and transportation equipment industry Technology Center，Lanzhou 730000，China)Abstract:A giant magnetostrictive actuator(GMA)structure is proposed，which uses a combination ofexcitation coil and permanent magnet to provide a driving field Based on the principle of electromagnet-ism，the mathematical model of magnetic circuit was first established，and then the finite element model ofGMA was established by using COMSOl Multiphysics software The influence of the open and closed cir-cuit of internal magnetic circuit and the relative permeability of magnetic conductivity material on themagnetic induction intensity and uniformity of the center line of the giant magnetostrictive material(GMM)rod was analyzed At the same time，the structure of the upper magnetic guide was optimized bytaking the magnetic induction intensity and uniformity of the center line of GMM rod as indexes The sim-ulation results show that the magnetic induction intensity of GMM centerline can be effectively improvedby closing the internal magnetic circuit and appropriately increasing the relative permeability of magnetic兰州交通大学学报第 42 卷materials After optimizing the structure of the upper magnetic conductor，the magnetic induction intensityon the center line of GMM rod is finally increased by 0 18 T，and the uniformity is increased to 92%Key words:giant magnetostrictive actuator;the magnetic circuit;COMSOL Multiphysics;magnetic in-duction intensity超磁致伸缩材料(GMM)是一种新型的智能材料，GMM 材料在室温下机械能与电能间的转换效率高、能量密度大、驱动电压低、响应速度快、工作频带宽，这些特点使其被广泛应用于传感器、驱动伺服阀、精密微位移驱动、机械振动等领域1-6。超磁致伸缩作动器(GMA)正是以 GMM 棒为驱动元件的新型作动器。在研究 GMA 的过程中，大量的实验结果表明，由磁路提供的驱动磁场直接影响 GMA 输出特性。刘强等7 对超磁致伸缩换能器的磁路进行了优化设计，研究了闭合磁路及磁路间隙对磁场强度的影响。涂建维等8 使用 ANSYS 有限元软件建立 GMA 有限元模型，研究了激励线圈、导磁体和导磁侧壁材料参数对磁感应强度的影响。范文涛等9 对圆筒状超磁致伸缩致动器磁路结构中部件尺寸及导磁率对磁场的影响进行了仿真研究。目前针对磁回路设计、磁路中导磁材料的选型及偏置磁场的设计等方面进行了大量研究，取得了丰富的成果。但考虑减小漏磁，增加磁场强度和均匀度的系统优化设计研究相对较少。因此，本文以电磁学理论为基础，考虑漏磁对磁路的影响，推导出 GMA 磁路数学计算公式，建立磁路有限元模型并基于COMSOL Multi-physics 仿真软件对内部磁路进行分析，得到了 GMM 棒中心线上的磁感应强度和均匀度，针对磁路结构进行优化设计后，GMM 棒中心线上的磁感应强度和均匀度均有提升，这对于 GMA结构性能的提高具有一定的参考意义。1GMA 磁路模型1 1GMA 结构与原理GMA 的结构如图 1 所示，主要由 GMM 棒、永磁体、激励线圈、线圈骨架、上下导磁体、上下导磁端盖、导磁侧壁、输出杆、碟形弹簧等组成。上下导磁端盖、GMM 棒、上下导磁体、永磁体和导磁侧壁组成了闭合磁路。闭合磁路能够减少漏磁，提升磁场均匀度10-11。GMA 的工作原理是利用磁致伸缩效应，当给激励线圈通入电流时，由电磁感应原理，激励线圈中产生磁场，使位于激励线圈中的 GMM 棒发生长度变化，从而带动输出杆产生一定的输出位移和力。图 1GMA 结构简图Fig 1Structure diagram of GMA由线性压磁方程式(1)和式(2)12，可以得出GMM 棒的轴向伸缩应变 S 与磁感应强度 B 之间的关系，如式(3)所示。S=EH+d33H(1)B=d33+H(2)S=(1EHd233)+d33B(3)式中:为材料预压应力;EH为材料杨氏模量;d33为压磁系数;H 为磁场强度;为相对磁导率。由式(3)可以看出，若d33、EH、为常量且预压力 为定值时，应变 S 随着磁感应强度 B 发生线性变化。因此，提高 GMM 棒中心线上的磁感应强度和均匀度，能够有效提升 GMA 的输出性能。1 2偏置磁场为了消除 GMA 中产生的倍频现象，需要在GMA 磁路中施加偏置磁场。产生偏置磁场的方式有两种:一是通过在激励线圈中施加直流电流来产生偏置磁场，但不可避免地会使线圈发热;二是使用永08第 3 期刘洋等:基于 COMSOL 的超磁致伸缩作动器磁路仿真及优化磁体产生偏置磁场，这种方式结构相对简单，而且永磁体可以在不产生过多热量的情况下提供更均匀磁场强度13-15。因此本文选用永磁体提供偏置磁场。1 3数学模型当电流通过时，激励线圈产生磁场 H。磁场 H 与磁路总磁通 之间的关系如式(4)所示16。NI=(4)式中:N 为线圈匝数;I 为线圈中的电流值;为磁通量;为总磁阻。研究作动器的磁路模型，首先需要将作动器简化，简化后模型如图 2 所示。图 2GMA 磁路模型Fig 2GMA magnetic circuit model其中，NI 为激励线圈磁动势;F 为永磁体的磁动势;m1、m2、m3、m4、m5分别为 GMM 棒、上下导磁体、导磁侧壁、上下导磁端盖和永磁体的等效磁阻;a为空气间隙的等效磁阻17。其中:mj=LjjAj(5)a=La0Aaln(r2r1)20h(6)式中Lj、j和Aj分别为上述各零件的有效长度、磁导率和横截面积;0为真空磁导率;r1为上导磁体的外径;r2为上导磁端盖的内径;h 为空气间隙高度。由式(5)和式(6)可知，磁路磁阻与上述各零件材料的磁导率成反比关系;减小磁路中空气间隙等效磁阻 a，可以减小磁路磁阻。由于磁路中存在漏磁现象，使用 Kf1、Kf2表示激励线圈和永磁体的漏磁系数。根据磁路欧姆定律:=BAm=1kf1NIc+1kf2m34j=1mj+ap(7)式中 c为激励线圈磁路的磁阻。表示为:c=m1+a+m2+m4+m3m5m3+m5(8)p为永磁体产生的磁通量。由式(3)和式(7)可得式(9)，S=1EHyq2+qAm(1kf1NIc+1kf2m34j=1mj+ap)(9)由式(9)可知，GMA 的动态性能受到磁回路的结构形式及磁路中的导磁材料特性影响。因此为提高GMA 的性能，可以对导磁材料的导磁率、上下导磁体的半径和高度等参数进行优化。2基于 COMSOL Multiphysics 仿真分析2 1GMA 磁场有限元模型由于 GMA 为轴对称几何结构，可以简化为 2D平面模型进行有限元分析计算。本文利用 COMSOLMultiphysics 作为有限元计算工具，对 GMA 磁回路进行分析。具体分析过程如下:1)利用 AC/DC