涂建维，刘兆富，李 召

(武汉理工大学 土木工程与建筑学院，武汉 430070)

1 GMA的结构和工作原理

超磁致伸缩作动器结构如图1所示。主要包括输出杆、碟形弹簧、端盖、导磁侧壁、导磁环、导磁体、不导磁外壳和GMM棒等，其驱动部分由激励线圈和永磁体组成。超磁致伸缩作动器的工作原理为：以激励线圈产生的磁场作为驱动磁场，在结构上由上下导磁体、空气间隙、上下导磁环、导磁侧壁、永磁体与GMM棒形成闭合磁路[19]。当改变输入电流时，激励线圈会产生变化的磁场；由于GMM棒轴向的磁致伸缩效应，GMM棒会随着磁场的变化而发生伸缩变形，所以作动器会向外界输出位移和力，从而实现电磁能向机械能的转换。通过控制输入电流，可以控制作动器位移和力的输出。永磁体是为了提供偏置磁场而达到消除倍频现象的目的，同时使GMA具有较好的线性输出。蝶形弹簧提供一定的预压力，使GMM棒能够充分发挥材料的性能。

通过静态条件下GMM棒的线性压磁方程式(1)与式(2)[20]，可得出应变s和磁感应强度B之间的关系，如式(3)所示。

(1)

B=qσ+uσH，

(2)

(3)

1—输出杆；2—碟形弹簧；3—上端盖；4—导磁侧壁；5—永磁体；6—激励线圈； 7—线圈骨架；8—下导磁环；9—下导磁体；10—外壳；11—GMM棒； 12—上导磁体；13—上导磁环；14—空气间隙图1 超磁致伸缩作动器结构简图Fig. 1 Structure diagram of giant magnetostrictive actuator

2 磁路设计

对于螺线管产生的磁场H与磁路总磁通φ之间的关系如式(4)表达所示[21]。

NI=φR，

(4)

图2 超磁致伸缩作动器磁路模型简图Fig. 2 Magnetic circuit model of giant magnetostrictive actuator

式中：N为螺线管线圈的匝数；I为线圈中的电流值；φ为磁通量；R为磁路中的总磁阻。

由图1可知，可以将作动器简化，得到磁路模型如图2所示。……