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磁致伸缩执行机构的设计、分析与仿真及其在高动态伺服阀中的应用
a研究中心Imarat（RCI），海得拉巴500069，印度
b机械工程系，IIT马德拉斯，印度钦奈600036
文章 信息 摘 要
文章历史：
收稿日期2009年4月28日修订后的2009年9月18日收到
2009年11月15日接受
2009年11月24日在线提供
关键词：
挡板式喷嘴伺服阀磁致伸缩执行器永磁偏置机电一体化
采用传统力矩电机驱动器操作的挡板式喷嘴式电液伺服阀（EHSV）已广泛用于工业应用。由于它们的带宽有限，所以不适合高速应用。本文介绍的工作涉及机电一体化方法设计的磁致伸缩执行器与柔性放大器和磁偏置磁致伸缩执行器应用于高频挡板 - 喷嘴伺服阀。通过更换扭矩电机，磁致伸缩执行器已经设计、制造并集成到现有的阿普尔喷嘴伺服阀中。结合磁致伸缩致动器的动态特性，模拟了阀门的动态特性。 有限元模型已经实现了执行器的必要参数。分析无负载特性并与实验值进行比较。已经与传统阀门进行了比较。结果表明，该阀在高速驱动系统中具有令人满意的静态和动态特性。
copy;2009 Elsevier B.V. 保留所有权利。
-
- 介绍
液压驱动系统用于需要高功率密度，高动态性能，坚固性和过载能力的航空航天和工业应用中。在液压驱动系统中，重要的元件是伺服阀，它是液压装置和电动装置之间的接口。液压系统的动态性能取决于伺服阀的动态特性。传统的伺服阀用于从工业到航空航天的各种应用中，只要在50-100Hz的频率内以100％的输入信号都存在精确的定位要求，流量为10l/min。
典型的两级电液伺服阀（EHSV）基本上是一个电动装置，输出流量与输入电流成正比。它由第一级电磁转矩电动机和第二级滑动阀芯组成。扭矩马达用于在连接到保险管的电枢上提供力，并因此导致两个喷嘴之间的刀片移动。由于罐体的移动，在连通的喷嘴罐到卷轴端室之间存在压力差，从而导致比例阀芯运动。挡板 - 喷嘴类型的EHSV的各种设计配置及其动力学已经开展并可在教科书中找到[1–3]. 由于50 Hz带宽的限制，这些阀门不适用于高速应用。伺服阀的总体性能取决于先导阶段的力矩电机的性能。力矩电机动态性能的局限性限制了伺服阀的性能。如果提高动力机构的动态性能，则会导致伺服阀的动态响应改善。随着近期智能材料的进步，双压电晶片材料可用于实现特殊的微型执行器，通过更换力矩电机来驱动EHSV的第一阶段。这些技术可用于实现高达约1000 Hz带宽的伺服阀[4]. 参考文献中报道了高频伺服阀以及用于航空航天结构，高速运动模拟器，航空航天高速致动系统和无人战斗航空器等高周疲劳测试系统的应用。[5,6]. 微型传感器和微型执行器机械设计的材料选择在参考文献中进行了讨论。[7].
参考文献中讨论了一种结合了电致伸缩PMN（铅镁铌酸盐）双压电晶片的挡板 - 喷嘴设计。[4]. 挡板的结构具有多晶结构，其中两个PMN薄板结合在磷青铜垫片的两侧。当在两个PMN板之间的电极上施加高电压时，结构增强。尖端位移，生成力和响应速度，导致它在第一级喷嘴的任何一侧都发生断裂。 也已经报道了具有压电致动器技术的伺服阀的几种设计[8–10].
磁致伸缩是导致某些铁磁材料在磁场中改变形状的性质。 当施加磁场时，晶体中的磁畴旋转，在微秒内提供成比例的，正的和可重复的扩展。 据报道，磁致伸缩执行器可用于直接驱动滑阀[11].
从上述文献调查可以看出，没有尝试过使用磁致伸缩致动器来直接驱动第一阶段。这样的设计将为伺服阀带来更高的带宽。
这种结构的优点是部件数量少，致动器不会像双压电晶片执行机构的阀那样暴露在油中[4]. 另外，磁致伸缩执行器没有移动部件，因此在机械上比传统的力矩电机复杂。因此可靠性比传统的伺服阀更高。
目前工作的主要目标是开发两种类型的磁致伸缩致动器配置的设计和验证方法，例如机械放大和永磁偏置结构。 通过如图所示更换力矩电机将它们集成到EHSV中图1。到目前为止，还没有关于具有磁致伸缩致动器的伺服阀的详细设计方法和仿真。 介绍了考虑几个参数的详细设计。 还包括进一步的模拟和实验结果。
图1.集成到伺服阀中的磁致伸缩执行器
命名法
一个n 喷嘴面积（m2）
一个s 阀芯面积（m2）
Am 磁体面积（m2）
Ar Terfenol-D棒的面积（m2）
b 从喷嘴到反馈弹簧端的距离（m）
B 密度（wb / m2）
BEFF 磁致伸缩执行器的有效阻尼（N s / m）
BI u在Terfenol-D棒（T）
Bm ux在磁铁（T）
Br 残余感应（T）
CH 合规性（m / N）
Cq 放电系数
CQN 喷嘴的喷射系数
CQO 固定放电的放电系数
d 磁致伸缩交叉耦合系数（m / A）
dn 喷嘴直径（m）
do 波浪的直径（m）
ds 卷轴直径（m）
dt Terfenol-D棒的直径（mu;m）EH 杆的杨氏模量（GPa）fr 谐振频率（Hz）
FB 有效阻塞力（N）
G1 位移增益
G2 力系数
H 磁场（A / m）
Hr 执行机构中的磁场强度（A / m）
Hg 气隙处的磁场（A / m）
Ho 磁偏差（A / m）
Hc 矫顽力（A / m）
Hm 磁体的磁场强度（A / m）
i 施加电流（A）
J 电流密度（A / m2）
Ĵa 电枢旋转质量（Ns-m / rad）
KEFF 系统的有效刚度（N / m）
Kf 保险装配刚度（N / m）
KFB 反馈弹簧刚度（N / m）Kp 预应力弹簧刚度（N / m）Kr Terfenol-D棒的刚度（N / m）K3 滑阀增益（l / min / m）
Kt 力矩电机常数（Nm / A）
升g 气隙长度（m）
升m 磁铁长度（m）
升r Terfenol-D棒的长度（m）M 磁化强度（A / m）MEFF 系统的有效质量（kg）
Mr 磁致伸缩执行器质量（kg）Ms 饱和磁化强度（A / m）N 线圈圈数
Pa - Pb阀芯上的压差（MPa）
Ps 供应压力（MPa）
- 流量（升/分钟）
r 从保险点到喷嘴中心的距离（m）
- 线圈电阻（Q）
SH 在施加的磁场（m2/ N）处的顺应系数）
- 机械应变（ppm）
- 机械预应力（MPa）
v 施加电压（V）
W 控制口宽度（m）
最大阿珀运动（m）
阀芯位移（m）
伺服阀参数磁致伸缩（ppm）
Terfenol-D棒的饱和磁致伸缩系数（ppm）
密度（kg / m3）
介质的渗透率（H / m）
相对渗透率
恒定应力下的渗透率（H / m）
Xnm Xs
Z
Lambda;
Lambda;s
rho;
micro;
micro;r
micro;T
-
- 磁致伸缩执行器
磁致伸缩是铁磁材料在存在a时从一种形状转变为另一种形状的过程，固态现象是小磁畴旋转的结果。 这些应变引起材料内部的应变，导致材料在磁场方向上的正向膨胀。 随着视场增加，更多的域旋转并对齐，直到达到磁饱和。 如果场逆转，则畴的方向也被应变逆转，仍然导致场方向上的正向扩展。 由于磁致伸缩力来源于分子，机械响应在微秒级内非常快。
Terfenol-D是已知的最高应变室温磁致伸缩材料，是铽，镝和铁 - TbxDy1minus;xFey化学计量为Tb0.3Dy0.7Fe1.95和可以调整组成以满足设备要求，例如温度范围[12]. 在Terfenol-D棒中，磁场引起“巨”磁致伸缩，其量级为1000-2000ppm，并且足够大以将杆作为致动器。 晶体结构的这种运动在几微秒内提供了成比例的，正的和可重复的扩展。
Terfenol-D具有最高的能量密度。 即使超过居里温度，Terfenol-D在整个温度范围内的连续循环也不会对其磁致伸缩性能产生任何影响。来自Terfenol-D棒的典型应变量
在500Oe磁场中每英寸暴露长度为0.00111
Terfenol-D的性质列入表格1。
高能量密度允许Terfenol-D执行器产生比任何其他紧凑型执行器更高的力。 对于高频应用，Terfenol-D执行器具有比电磁执行器更高的功率密度[14].
表格1Terfenol-D的性质[12–14].
|
SL. |
NO |
Terfenol-D属性 |
值范围 |
|
1 |
名义构成 |
Tb0.3D0.7Fe1.92 |
|
|
2 |
密度p |
9250公斤/平方米3 |
|
|
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