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摘 要：该文基于磁控形状记忆合金（MSMA）材料自主设计了一种磁控形状记忆合金伸缩作动器，并阐述其原理。通过建立有限元模型， 并对MSMA相对空气导磁率、导磁片的相对导磁率及电流等参数进行了分析。研究表明：当MSMA相对空气导磁率为30、电流大小为3 A时，MSMA棒中心线磁场的均匀性较好；而导磁片的相对导磁率对其均匀性影响较小。设计出了一种新型磁控形状记忆合金伸缩作动器，达到了从理论上充分掌握MSMA棒轴向磁场强度及均匀性，并间接地保证了磁控形状记忆合金伸缩作动器具有较优的控制力。
关键词：磁控形状记忆合金 作动器 相对导磁率 磁场强度
中图分类号：TB381 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（c）-0010-04
The Design Of Magnetic Shape Memory Alloy Telescopic Actuator And Parametric Analysis
Zhang Xiancai Li Limin
（Hunan University of Science and Engineering， Yongzhou HuNan，425199，China）
Abstract：Based Magnetic shape memory alloy （MSMA） materials， this paper designed a retractable magnetic shape memory alloy actuators， and explains its principles. Through the establishment of the finite element model， and MSMA relative air permeability， relative permeability magnetic sheets and current and other parameters were analyzed. Research shows： When MSMA relative air permeability of 30， the current size of 3A， the uniformity of the magnetic field better MSMA rod centerline； and the relative permeability magnetic sheets for its uniformity less affected. A new type of magnetic shape memory alloy actuators designed can achieve theoretically fully grasp the MSMA rod axial magnetic field strength and uniformity， and it can indirectly guarantee the good control ability provided by magnetic shape memory alloy actuators.
Key Word：Magnetic Shape Memory Alloy；Actuator；Relative Permeability；Magnetic Field Intensity
目前，国内外对MSMA材料在磁场作用下的变形机理与磁控特性等方面进行了大量的研究并取得了相应的成果，但对MSMA的应用研究却处于起步阶段。如芬兰的AdaptaMat公司已将Ni-Mn-Ga合金作为驱动材料应用于驱动器的制造中，在国内，沈阳工业大学采用Ni-Mn-Ga合金成功研制了蠕动型直线电机样机。2006年，张庆新在其博士论文“磁控形状记忆合金特性及其执行器应用基础研究”中对MSMA特性、MSMA直线驱动器及差动式磁控形状记忆合金执行器进行系统的研究[1]，2010年，王社良等研究了磁控形状记忆合金在结构振动控制中的应用[2]；翁光远等设计了一种磁控形状记忆合金作动器，并对其控制效果进行了研究[3]；2013年，翁光远等开发了磁控形状记忆合金主动控制系统，并对凯威特型模型结构进行了相应的控制性能试验[4]。该文根据磁控形状记忆合金材料的基本特性制作一种适用于拉索主动控制的磁控形状记忆合金伸缩作动器，扩宽了磁控形状记忆合金材料的应用面。由于作动器内部磁场分布较复杂，该文通过建立MSMA的有限元模型，进行了MSMA的材料优化设计，设计出一种新型磁控形状记忆合金伸缩作动器，并对其作用原理和参数进行了分析，达到从理论上充分掌握MSMA棒轴向磁场强度及均匀性，间接地保证了对磁控形状记忆合金伸缩作动器提供较优的控制力，为下一步的试验研究提供参考。
1 MSMA作动器设计及原理
该文设计了如图1所示的磁控形状记忆合金伸缩作动器，磁控形状记忆合金棒置于线圈骨架中，其顶端有导磁片、上非导磁垫板和导出杆，并通过碟簧压紧在上非导磁垫板上，从而保证了磁控形状记忆合金棒的位移连续性，且使磁控形状记忆合金棒始终处于受压状态。磁控形状记忆合金棒的预紧力大小通过带有螺纹的上端盖拧进拧出来调节，以便为磁控形状记忆合金棒提供最佳预紧力，从而保证了磁控形状记忆合金棒具有最大位移输出能力。线圈骨架的外侧缠绕有激励线圈，通过控制激励线圈中的电流来产生交变磁场。在激励线圈的外侧装有圆筒形永磁体来产生偏置磁场，使磁控形状记忆合金棒产生一定的预伸长，永磁体的轴向定位靠调节上非导磁垫板的厚度来保证。在激励磁场和偏置磁场的共同作用下，磁控形状记忆合金棒就可产生需要的位移输出，并通过导出杆向控制结构输出位移。当激励磁场消失时，磁控形状记忆合金棒保持形状不变，碟簧压力使其恢复原来形状，完成此作动器的作动效应。 2 MSMA作动器有限元模拟
2.1 主要材料特性
2.1.1 MSMA的力学特性
磁控形状记忆合金与传统形状记忆合金的应力-应变曲线相似，如图2所示，随应力的增加，材料首先有一对应单变体的模量。在对应于孪晶界移动触发的临界应力以上时，模量降低为，依赖孪晶变体结构，材料可能在达到去孪晶前具有相变应变。接下来为去孪晶过程，相变应变对应于马氏体相变的晶体畸变，对更高的应力，模量恢复到其单变体的值。该文采用的磁控形状记忆合金为正合金，其应力-应变主要包括三个阶段，首先是单晶变体的弹性阶段，其次是孪晶变形和重组的变形体再定位，然后是单晶变体的弹性变形阶段，如图3所示。
2.1.2 永磁体的H-B曲线
该文采用永磁体材料的Hc=3000 （Amp/m），通过ANSYS分析得出其H-B曲线如图4所示。
2.2 MSMA作动器模型
首先选择合适的磁控形状记忆合金伸缩棒，长度为120 mm，直径为24 mm； 通过考虑MSMA棒的磁致伸缩率与磁场强度的关系，确定线圈几何参数；由于MSMA具有低导磁率特性，故设计成闭合磁路，防止漏磁和保持磁场的均匀性。
该文所设计的磁控形状记忆合金伸缩作动器为三维轴对称结构，故可对其结构进行简化建模。基于ANSYS平台进行MSMA的磁场分析可忽略弹簧作用，采用平面轴对称单元建立有限元模型。本文采用plane53单元四节点四边形对几何模型划分网格，所建立的有限元模型如图5所示。
2.3 结果分析
该文考虑的主要参数为MSMA的相对空气的导磁率、导磁片的相对导磁率及电流。分析过程中，MSMA的相对空气导磁率取5、10、15、20、25、30及35，导磁片的相对导磁率取3、5、8、10、20、50及100，输入的电流取1A、2A、3A、4A、5A及6A，通过模拟分析得出磁控形状记忆合金伸缩作动器的磁场均匀分布图如图6、图7、图8所示。
从图6、8可知，MSMA棒中心线磁场强度在MSMA棒的相对空气磁导率为30，电流为3 A时的均匀性最好，故采用这两个数值作为分析作动器内部磁场的参考值，从图7可知，导磁片的相对导磁率对MSMA棒中心线的磁场强度的影响基本一致，经综合考虑，本文采用的相对导磁率为8。
3 结论
该文基于磁控形状记忆合金棒材料，设计了一种磁控形状记忆合金伸缩作动器，并阐述了其作动原理。通过建立有限元分析，当MSMA相对空气导磁率为30、电流大小为3A时，MSMA棒中心线磁场的均匀性较好；而导磁片的相对导磁率对其均匀性影响较小，得出的结果为进一步的试验提供相应的参考。
参考文献
[1] 张庆新.磁控形状记忆合金特性及其执行器应用基础研究[D].沈阳工业大学，2006.
[2] 翁光远，王社良.磁控形状记忆合金在结构振动控制中的应用研究[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版，2010，42（5）：631-636.
[3] 翁光远，王社良.磁控形状记忆合金作动器设计及其控制效果[J].噪声与振动控制，2001（1）：157-162.
[4] 翁光远，王社良.磁控形状记忆合金主动控制系统及试验研究[J].振动与冲击，2013，32（1）：43-48.
[5] 张倩，胡仁喜，康士廷.ANSYS12.0电磁学有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2010.
关键词：磁控形状记忆合金 作动器 相对导磁率 磁场强度
中图分类号：TB381 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（c）-0010-04
The Design Of Magnetic Shape Memory Alloy Telescopic Actuator And Parametric Analysis
Zhang Xiancai Li Limin
（Hunan University of Science and Engineering， Yongzhou HuNan，425199，China）
Abstract：Based Magnetic shape memory alloy （MSMA） materials， this paper designed a retractable magnetic shape memory alloy actuators， and explains its principles. Through the establishment of the finite element model， and MSMA relative air permeability， relative permeability magnetic sheets and current and other parameters were analyzed. Research shows： When MSMA relative air permeability of 30， the current size of 3A， the uniformity of the magnetic field better MSMA rod centerline； and the relative permeability magnetic sheets for its uniformity less affected. A new type of magnetic shape memory alloy actuators designed can achieve theoretically fully grasp the MSMA rod axial magnetic field strength and uniformity， and it can indirectly guarantee the good control ability provided by magnetic shape memory alloy actuators.
Key Word：Magnetic Shape Memory Alloy；Actuator；Relative Permeability；Magnetic Field Intensity
目前，国内外对MSMA材料在磁场作用下的变形机理与磁控特性等方面进行了大量的研究并取得了相应的成果，但对MSMA的应用研究却处于起步阶段。如芬兰的AdaptaMat公司已将Ni-Mn-Ga合金作为驱动材料应用于驱动器的制造中，在国内，沈阳工业大学采用Ni-Mn-Ga合金成功研制了蠕动型直线电机样机。2006年，张庆新在其博士论文“磁控形状记忆合金特性及其执行器应用基础研究”中对MSMA特性、MSMA直线驱动器及差动式磁控形状记忆合金执行器进行系统的研究[1]，2010年，王社良等研究了磁控形状记忆合金在结构振动控制中的应用[2]；翁光远等设计了一种磁控形状记忆合金作动器，并对其控制效果进行了研究[3]；2013年，翁光远等开发了磁控形状记忆合金主动控制系统，并对凯威特型模型结构进行了相应的控制性能试验[4]。该文根据磁控形状记忆合金材料的基本特性制作一种适用于拉索主动控制的磁控形状记忆合金伸缩作动器，扩宽了磁控形状记忆合金材料的应用面。由于作动器内部磁场分布较复杂，该文通过建立MSMA的有限元模型，进行了MSMA的材料优化设计，设计出一种新型磁控形状记忆合金伸缩作动器，并对其作用原理和参数进行了分析，达到从理论上充分掌握MSMA棒轴向磁场强度及均匀性，间接地保证了对磁控形状记忆合金伸缩作动器提供较优的控制力，为下一步的试验研究提供参考。
1 MSMA作动器设计及原理
该文设计了如图1所示的磁控形状记忆合金伸缩作动器，磁控形状记忆合金棒置于线圈骨架中，其顶端有导磁片、上非导磁垫板和导出杆，并通过碟簧压紧在上非导磁垫板上，从而保证了磁控形状记忆合金棒的位移连续性，且使磁控形状记忆合金棒始终处于受压状态。磁控形状记忆合金棒的预紧力大小通过带有螺纹的上端盖拧进拧出来调节，以便为磁控形状记忆合金棒提供最佳预紧力，从而保证了磁控形状记忆合金棒具有最大位移输出能力。线圈骨架的外侧缠绕有激励线圈，通过控制激励线圈中的电流来产生交变磁场。在激励线圈的外侧装有圆筒形永磁体来产生偏置磁场，使磁控形状记忆合金棒产生一定的预伸长，永磁体的轴向定位靠调节上非导磁垫板的厚度来保证。在激励磁场和偏置磁场的共同作用下，磁控形状记忆合金棒就可产生需要的位移输出，并通过导出杆向控制结构输出位移。当激励磁场消失时，磁控形状记忆合金棒保持形状不变，碟簧压力使其恢复原来形状，完成此作动器的作动效应。 2 MSMA作动器有限元模拟
2.1 主要材料特性
2.1.1 MSMA的力学特性
磁控形状记忆合金与传统形状记忆合金的应力-应变曲线相似，如图2所示，随应力的增加，材料首先有一对应单变体的模量。在对应于孪晶界移动触发的临界应力以上时，模量降低为，依赖孪晶变体结构，材料可能在达到去孪晶前具有相变应变。接下来为去孪晶过程，相变应变对应于马氏体相变的晶体畸变，对更高的应力，模量恢复到其单变体的值。该文采用的磁控形状记忆合金为正合金，其应力-应变主要包括三个阶段，首先是单晶变体的弹性阶段，其次是孪晶变形和重组的变形体再定位，然后是单晶变体的弹性变形阶段，如图3所示。
2.1.2 永磁体的H-B曲线
该文采用永磁体材料的Hc=3000 （Amp/m），通过ANSYS分析得出其H-B曲线如图4所示。
2.2 MSMA作动器模型
首先选择合适的磁控形状记忆合金伸缩棒，长度为120 mm，直径为24 mm； 通过考虑MSMA棒的磁致伸缩率与磁场强度的关系，确定线圈几何参数；由于MSMA具有低导磁率特性，故设计成闭合磁路，防止漏磁和保持磁场的均匀性。
该文所设计的磁控形状记忆合金伸缩作动器为三维轴对称结构，故可对其结构进行简化建模。基于ANSYS平台进行MSMA的磁场分析可忽略弹簧作用，采用平面轴对称单元建立有限元模型。本文采用plane53单元四节点四边形对几何模型划分网格，所建立的有限元模型如图5所示。
2.3 结果分析
该文考虑的主要参数为MSMA的相对空气的导磁率、导磁片的相对导磁率及电流。分析过程中，MSMA的相对空气导磁率取5、10、15、20、25、30及35，导磁片的相对导磁率取3、5、8、10、20、50及100，输入的电流取1A、2A、3A、4A、5A及6A，通过模拟分析得出磁控形状记忆合金伸缩作动器的磁场均匀分布图如图6、图7、图8所示。
从图6、8可知，MSMA棒中心线磁场强度在MSMA棒的相对空气磁导率为30，电流为3 A时的均匀性最好，故采用这两个数值作为分析作动器内部磁场的参考值，从图7可知，导磁片的相对导磁率对MSMA棒中心线的磁场强度的影响基本一致，经综合考虑，本文采用的相对导磁率为8。
3 结论
该文基于磁控形状记忆合金棒材料，设计了一种磁控形状记忆合金伸缩作动器，并阐述了其作动原理。通过建立有限元分析，当MSMA相对空气导磁率为30、电流大小为3A时，MSMA棒中心线磁场的均匀性较好；而导磁片的相对导磁率对其均匀性影响较小，得出的结果为进一步的试验提供相应的参考。
参考文献
[1] 张庆新.磁控形状记忆合金特性及其执行器应用基础研究[D].沈阳工业大学，2006.
[2] 翁光远，王社良.磁控形状记忆合金在结构振动控制中的应用研究[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版，2010，42（5）：631-636.
[3] 翁光远，王社良.磁控形状记忆合金作动器设计及其控制效果[J].噪声与振动控制，2001（1）：157-162.
[4] 翁光远，王社良.磁控形状记忆合金主动控制系统及试验研究[J].振动与冲击，2013，32（1）：43-48.
[5] 张倩，胡仁喜，康士廷.ANSYS12.0电磁学有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2010.