甄 亮，方占萍，馬忠孝

（1.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院甘肅省太陽能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肅 酒泉 735000；3.中聯(lián)重科股份有限公司，湖南 長沙 410000）

一種GMA高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與磁場仿真分析

甄 亮1，2，方占萍1，2，馬忠孝3

（1.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院甘肅省太陽能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肅 酒泉 735000；3.中聯(lián)重科股份有限公司，湖南 長沙 410000）

本文設(shè)計(jì)了高速開關(guān)閥用GMA的結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算了GMM棒所需的長度和直徑，并結(jié)合高速開關(guān)閥的工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)了線圈尺寸。通過Ansoft軟件對GMA的磁場分布做了詳細(xì)分析，得出采用低磁導(dǎo)率的導(dǎo)磁塊時(shí)GMM棒軸向磁場不均勻度最小，且導(dǎo)磁塊與GMM棒相對磁導(dǎo)率相同或接近時(shí)磁場不均勻度改善可達(dá)到最優(yōu)，氣隙寬度對GMM棒磁場不均勻度影響較顯著，且當(dāng)氣隙寬度為0.4mm時(shí)磁場不均勻度最小，線圈安匝數(shù)主要影響GMM棒上的磁場強(qiáng)度大小，對磁場不均勻度影響甚小。

高速開關(guān)閥；磁致伸縮；磁場仿真

磁致伸縮材料作為幾種重要的功能材料之一，因其獨(dú)有的性質(zhì)，其研究和應(yīng)用越來越多地受到國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。根據(jù)磁致伸縮材料的特性將其應(yīng)用到高速開關(guān)閥上，通過外加磁場大小來改變超磁致伸縮棒的伸縮量（一般為幾十微米），從而控制輸出機(jī)構(gòu)的力和位移。為了增大GMA（超磁致伸縮致動器，Giant Magnetostrictive Actuator）的輸出位移，往往會設(shè)計(jì)相應(yīng)的微位移放大機(jī)構(gòu)對GMA的輸出位移進(jìn)行放大，以達(dá)到工作需要。由于超磁致伸縮材料本身的特點(diǎn)，GMA具有響應(yīng)速度快、輸出力大等優(yōu)點(diǎn)，與其他電機(jī)械轉(zhuǎn)換器相比具有明顯的優(yōu)勢。

1 高速開關(guān)閥的整體結(jié)構(gòu)

由于GMM（超磁致伸材料，Giant Magnetostrictive Material）棒的輸出位移很小，一般所設(shè)計(jì)的GMA都會采用微位移放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移放大，但這樣會導(dǎo)致GMA結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且微位移放大機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)明顯，同時(shí)由于GMM棒輸出受磁場分布及溫度影響較大，這些都會影響到GMM棒的輸出精度。基于以上考慮，如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的GMA不采用微位移放大機(jī)構(gòu)，而是設(shè)計(jì)了一種新型的多通流面閥芯結(jié)構(gòu)來彌補(bǔ)GMM棒輸出位移不足的問題。將GMA應(yīng)用于液壓高速開關(guān)閥中采用PWM信號控制時(shí)，由于激勵(lì)電流采用直流電所以不存在倍頻效應(yīng)，從而略去了解決倍頻效應(yīng)所使用的偏置線圈，減小了GMA體積及偏置線圈發(fā)熱對GMM棒的影響。

圖1 基于GMA的高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 高速開關(guān)閥用GMA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為所設(shè)計(jì)的GMA結(jié)構(gòu)圖，主要由線圈、線圈骨架、冷卻腔、調(diào)節(jié)螺釘、GMM棒和頂桿等組成。工作原理是激勵(lì)線圈通電產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生的磁場使GMM棒軸向伸長變形，從而使預(yù)壓桿推動閥芯運(yùn)動，預(yù)壓力調(diào)節(jié)螺紋作用是調(diào)節(jié)加載給GMM棒的預(yù)壓力，使GMM棒獲得更大的磁致伸縮率，調(diào)節(jié)螺釘可對GMM棒或閥芯位置進(jìn)行微調(diào)。

圖2 高速開關(guān)閥用GMA結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 GMM棒設(shè)計(jì)

GMM棒的設(shè)計(jì)主要包括長度l和直徑d，長度由GMM棒的工作位移決定，直徑由GMM棒輸出力決定，GMM棒的材料選用Terfenol-D。

本文設(shè)計(jì)的高速開關(guān)閥閥芯最大行程為50μm，由式1可得：

則GMM棒的長度：

式中：λs——GMM棒的飽和磁致伸縮率；

△lmax——GMM棒飽和磁致伸縮量；

l——GMM棒長度；

△xmax——設(shè)計(jì)的最大工作位移；

ks——設(shè)計(jì)系數(shù)，本文取1.2。

GMM棒在伸長過程中由于自身材料的彈性回復(fù)力作用，它的輸出力是逐漸減小的，在零位時(shí)的輸出力最大，當(dāng)達(dá)到飽和磁致伸縮時(shí)輸出力為零。

則GMM棒的輸出力：

當(dāng)GMM棒達(dá)到飽和磁致伸縮時(shí)F=0，則由式（1）、（2）可得：

式中：Fb——GMM棒零伸長量時(shí)的輸出力；

F0——預(yù)壓力；

k0——GMM棒的彈性回復(fù)系數(shù)；

E——GMM棒的楊氏模量；

x——GMM棒伸長量；

A——GMM棒橫截面積；

l——GMM棒長度。

GMA在工作時(shí)，GMM棒的輸出力需要克服預(yù)壓彈簧力、復(fù)位彈簧力、閥芯閥套之間的摩擦力，所以GMM的最小輸出力滿足下式：

式中：F1——預(yù)壓彈簧力；

F2——復(fù)位彈簧力；

FN——閥芯閥套摩擦力，F(xiàn)0=σ0A，F(xiàn)1=k1x，F(xiàn)2= k1x，其中：

σ0——預(yù)壓應(yīng)力；

k1——預(yù)壓彈簧剛度；

k2——復(fù)位彈簧剛度。

同時(shí)，由設(shè)計(jì)要求閥芯在50μm行程下的響應(yīng)時(shí)間需小于2ms，則由式

Fmin還需滿足：

式中：m1——閥芯質(zhì)量；

m2——預(yù)壓桿質(zhì)量；

m3——GMM棒質(zhì)量。

由式（3）、（5）、（6）可得：

所以，GMM棒的最小輸出力和橫截面積取值需滿足式（9）和（10），由設(shè)計(jì)要求閥芯關(guān)閉過程響應(yīng)時(shí)間小于2ms，由式（7）、（8）可知復(fù)位彈簧力滿足：

帶入?yún)?shù)m1=65g，適當(dāng)放大F2的值以忽略FN影響，F(xiàn)2取值為25N，由以上所述選取GMM棒尺寸為?8×75，在閥芯行程為50μm時(shí)GMM棒的輸出力最小。將各參數(shù)帶入式（9）和（11）進(jìn)行驗(yàn)算，滿足要求，此時(shí)預(yù)壓力為（預(yù)壓應(yīng)力10MPa）502N，50μm伸長量時(shí)GMM棒的輸出力為268N。根據(jù)GMA形狀體積取預(yù)壓彈簧預(yù)壓縮量為25.1mm，則預(yù)壓彈簧剛度為20N/mm。

2.2 線圈參數(shù)設(shè)計(jì)

線圈尺寸大小會影響其產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度和自身的功率損耗，功率損耗越大則產(chǎn)生的熱量越多GMM棒溫升變高，所以線圈設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮選取合適的尺寸以產(chǎn)生最大的磁場強(qiáng)度和最小的功率損耗。為了保證GMM棒處于比較均勻的磁場中，線圈的長度應(yīng)稍大于GMM棒長度，但是過大尺寸會增加整體GMA的結(jié)構(gòu)尺寸，本文線圈長度取82mm，為GMM棒長度的1.1倍左右。

多層繞線空心螺線管在中軸線方向任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和線圈功率損耗公式為：

式中：μ——磁導(dǎo)率；

n1——螺線管單位長度上的匝數(shù)；

n2——螺線管單位高度上的匝數(shù)；

I——激勵(lì)電流；

x——螺線管中軸線上任一點(diǎn)距離中心的距離；

r1——線圈內(nèi)半徑；

r2——線圈外半徑；

l——線圈長度；

ρ——線圈電阻率；

H——磁場強(qiáng)度；

c——繞線形狀因子（圓形取4/π，方形取1）；

α=r2/r1，β=l/2r1。

由式（12）可以看到r1越小則磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，由B=μH則磁場強(qiáng)度越大，但是由于本文在靠近GMM棒處有冷卻腔來控制GMM棒的溫升，同時(shí)考慮到GMA的整體尺寸，所以限制了r1的取值，本文r1取值20mm。按照功率損耗公式（13）和（14）可知，線圈外徑的確定有個(gè)最優(yōu)值，但是考慮到線圈電阻和電感對高速開關(guān)閥響應(yīng)速度有十分重要的影響，設(shè)計(jì)過程主要考慮閥的響應(yīng)速度，本文r2取值為32mm。由式12和式B=μH，得到中軸線中

由設(shè)計(jì)要求GMM棒上的最大磁場強(qiáng)度為40kA/m，由式15可得出：NI=3800，取線圈匝數(shù)為1200匝，則激勵(lì)電流大小為3.2A。反復(fù)短期工作制時(shí)線圈中的最大電流密度J=5-12A/mm2，因?yàn)橛兴鋮s裝置，電流密度可適當(dāng)取大，本文電流密度取9A/mm2。則線圈直徑可由下式計(jì)算：

式中：kd——纏繞系數(shù)取1.2；

N——線圈匝數(shù)。

帶入?yún)?shù)計(jì)算得線圈直徑為0.683mm，查漆包線規(guī)格，選線圈直徑0.69mm，此時(shí)裸線直徑為0.64mm，同時(shí)線圈直徑需滿足下式，帶入?yún)?shù)滿足要求。

由線圈電阻和電感計(jì)算公式：

式中：ρT——導(dǎo)線電阻率；

dn——裸線直徑；

μ0——真空磁導(dǎo)率；

N——線圈匝數(shù)；

S——線圈橫截面積。

最后計(jì)算得到線圈的電阻和電感分別為12.13Ω和3.54mH。

3 高速開關(guān)閥用GMA磁場仿真分析

本文采用Ansoft Maxwell軟件對所設(shè)計(jì)的GMA進(jìn)行磁場仿真分析，由于GMA的結(jié)構(gòu)是軸對稱的，且GMA使用PWM信號控制，激勵(lì)電流為直流。仿真模型和網(wǎng)格劃分及磁力線分布如圖3、圖4所示，仿真參數(shù)如表1所示。

圖3 GMA磁場仿真模型及網(wǎng)格劃分

圖4 磁力線分布

表1 仿真參數(shù)

3.1 磁塊相對磁導(dǎo)率大小對GMM棒磁場分布的影響

圖5a為導(dǎo)磁塊在不同相對磁導(dǎo)率下（10～100）GMM棒沿中軸方向的磁場強(qiáng)度分布，同時(shí)有未加導(dǎo)磁塊（即導(dǎo)磁塊相對磁導(dǎo)率同45#鋼）時(shí)的磁場強(qiáng)度分布。由未加導(dǎo)磁塊曲線可以看到在GMM棒上磁場強(qiáng)度沿中軸方向的分布是不均勻的，最大磁場強(qiáng)度為59.83803kA/m，最小磁場強(qiáng)度為46.44272kA/ m，差值為28.84%。磁場強(qiáng)度呈現(xiàn)兩頭大中間小的現(xiàn)象，這是由于GMM棒相對磁導(dǎo)率較低，導(dǎo)磁性能差造成的。

經(jīng)過綜合比較分析，采用低導(dǎo)磁率的導(dǎo)磁塊進(jìn)行磁場不均勻改善方案最為可行，且認(rèn)為導(dǎo)磁塊相對磁導(dǎo)率與GMM棒相對磁導(dǎo)率相同或接近時(shí)磁場不均勻現(xiàn)象的改善可達(dá)到最優(yōu)。本文GMM棒相對磁導(dǎo)率為10，由圖5a可以看到，導(dǎo)磁塊相對磁導(dǎo)率為10時(shí)GMM棒軸向磁場不均勻性現(xiàn)象最小，此時(shí)最大磁場強(qiáng)度為46.27559782kA/m，最小磁場強(qiáng)度為44.70121939kA/m，差值為3.52%，可見差值得到極大下降，同時(shí)可以看到GMM棒軸向磁場不均勻范圍也得到大幅下降。同時(shí)，由圖5a可以看到，導(dǎo)磁塊相對磁導(dǎo)率從10到100變化時(shí)GMM棒軸向磁場不均勻度在逐漸變大，磁場不均勻區(qū)域也在逐漸變大。不過采用低磁導(dǎo)率導(dǎo)磁塊會降低GMM棒的磁場強(qiáng)度，但是降低幅度較小，在3kA/m以內(nèi)。

圖5 導(dǎo)磁塊相對磁導(dǎo)率變化對GMM棒磁場分布的影響

由圖5b可以看到，GMM棒徑向的磁場強(qiáng)度分布也是不均勻的，但是由于GMM棒工作為軸向，所以徑向磁場不均勻現(xiàn)象對軸向工作影響很小，主要影響GMM棒體積變形。

圖6為導(dǎo)磁塊相對磁導(dǎo)率在GMM棒相對磁導(dǎo)率值附近變化時(shí)GMM棒的軸向磁場強(qiáng)度分布，表2為相對應(yīng)的數(shù)據(jù)和差值。由圖8可以看到導(dǎo)磁塊相對磁導(dǎo)率小于GMM棒相對磁導(dǎo)率時(shí)，GMM棒兩端的磁場強(qiáng)度小于中間部分，反之則大于中間部分。由表2可以看到導(dǎo)磁塊的相對磁導(dǎo)率為10時(shí)GMM棒的磁場不均勻度最小，差值從10到兩側(cè)遞增，這進(jìn)一步驗(yàn)證了上面的結(jié)論，導(dǎo)磁塊相對磁導(dǎo)率等于或接近GMM棒相對磁導(dǎo)率時(shí)，GMM棒的磁場不均勻性改善可達(dá)到最優(yōu)；導(dǎo)磁塊相對磁導(dǎo)率等于GMM棒相對磁導(dǎo)率時(shí)，GMM棒磁場均勻度最好。這樣，GMM棒的磁場不均勻現(xiàn)象得到了改善。

圖6 導(dǎo)磁塊相對磁導(dǎo)率在10附近時(shí)GMM棒軸向磁場分布

表2 導(dǎo)磁塊不同相對磁導(dǎo)率時(shí)GMM棒軸向磁場不均勻度差值

3.2 氣隙寬度對GMM棒磁場分布的影響

圖7為氣隙寬度從0到1mm變化時(shí)GMM棒軸向磁場強(qiáng)度分布，可以看到隨著氣隙寬度的增大，GMM棒上的磁場強(qiáng)度也隨之增大，但增大幅度較小，基本保持在1kA/m的范圍內(nèi)。同時(shí)，隨著氣隙寬度的變化，GMM棒軸向磁場強(qiáng)度差值也在變化，由表3可以看到氣隙寬度在0.4mm左右時(shí)GMM棒軸向磁場強(qiáng)度差值最小，為3.40%。在導(dǎo)磁塊磁導(dǎo)率對GMM棒軸向磁場強(qiáng)度分布的影響中，分析了導(dǎo)磁塊相對磁導(dǎo)率為10時(shí)GMM棒可獲得最小磁場強(qiáng)度差值為3.52%，此時(shí)氣隙寬度為0.5mm。通過以上分析可以看到，GMM棒軸向磁場強(qiáng)度差值還可進(jìn)一步降低，也就是氣隙寬度為0.4mm左右時(shí)，磁場強(qiáng)度差值可達(dá)3.40%。

圖7 氣隙寬度變化對GMM棒軸向磁場強(qiáng)度分布的影響

表3 氣隙寬度變化時(shí)GMM棒軸向磁場不均勻度差值

3.3 殼體相對磁導(dǎo)率變化對GMM棒磁場分布的影響

圖8為殼體相對磁導(dǎo)率從1～1500變化過程的GMM棒軸向磁場強(qiáng)度分布三維圖及投影圖?？梢钥吹?，當(dāng)殼體相對磁導(dǎo)率達(dá)到一定值后，再增加相對磁導(dǎo)率對GMM棒軸向磁場分布的影響將會很小，基本保持不變。同時(shí)也可以看到，殼體相對磁導(dǎo)率從1開始上升過程GMM棒上的磁場分布變化較大。

為了更清晰地看到這個(gè)變化過程，圖9做出了殼體相對磁導(dǎo)率在100以內(nèi)變化時(shí)GMM棒軸向磁場分布，可以看到殼體相對磁導(dǎo)率為1時(shí)GMM棒上磁場強(qiáng)度最小，且磁場分布均勻度最差。這主要是因?yàn)闅んw相對磁導(dǎo)率為1時(shí)，殼體相當(dāng)于空氣（空氣相對磁導(dǎo)率為1），這樣在GMA上的磁場不能構(gòu)成有效回路，而是從無窮遠(yuǎn)處構(gòu)成了磁場回路，所以降低了GMM棒上的磁場強(qiáng)度。同時(shí)，隨著殼體相對磁導(dǎo)率的增大，GMM棒上的磁場強(qiáng)度也在隨著增大，這主要是因?yàn)闅んw相對磁導(dǎo)率越大則漏磁相對越小，從而增加了GMM棒磁場強(qiáng)度。由圖9還可以看到，隨著殼體相對磁導(dǎo)率的增大GMM棒磁場強(qiáng)度的增幅在逐漸減小，結(jié)合圖8可以得出結(jié)論：隨著殼體相對磁導(dǎo)率的增大，GMM棒上的磁場強(qiáng)度值將隨著增大，殼體相對磁導(dǎo)率在達(dá)到約100以后（100～1500），其相對磁導(dǎo)率的變化對GMM棒上磁場強(qiáng)度值的影響將越來越小，幾乎可以忽略。

圖8 GMM棒軸向磁場分布三維圖及投影圖

圖9 殼體相對磁導(dǎo)率變化時(shí)的GMM棒軸向磁場分布

3.4 整體外磁路相對磁導(dǎo)率變化對GMM棒磁場分布

整體外磁路部分包括頂桿、殼體、后座、微調(diào)螺塞，它們通過導(dǎo)磁塊和GMM棒構(gòu)成閉合磁回路。圖10為整體外磁路部分相對磁導(dǎo)率變化時(shí)GMM棒軸向磁場分布，表4為相對應(yīng)的磁場不均勻度差值表?？梢钥吹?，隨著整體外磁路相對磁導(dǎo)率的增大，GMM棒上磁場強(qiáng)度值得大小也在隨著增大，這是由于外磁路相對磁導(dǎo)率高可以減小漏磁所致。從表4.4μ=1500和μ=150的數(shù)據(jù)可以看到，兩者磁場強(qiáng)度值相差較小，但是磁場不均勻度增大了，所以對GMM棒而言，并不是整體外磁路的相對磁導(dǎo)率越高越好。綜合表4的差值分布可以得出結(jié)論：隨著整體外磁路相對磁導(dǎo)率的增大過程，GMM棒軸向磁場強(qiáng)度值也隨著增大，而磁場不均勻度差值則呈現(xiàn)先減小后增大的過程，在這個(gè)變化過程中有一個(gè)最小差值點(diǎn)，約在μ=150左右，所以外磁路材料的選擇至關(guān)重要，不過在不同驅(qū)動磁場時(shí)這個(gè)值可能會有變化。

3.5 線圈骨架和冷卻套筒相對磁導(dǎo)率變化對GMM棒磁場分布的影響

圖11和圖12分別為線圈骨架和冷卻套筒相對磁導(dǎo)率變化時(shí)GMM棒的軸向磁場分布圖。從兩個(gè)圖中可以看到，隨著相對磁導(dǎo)率的增大，GMM棒上的磁場強(qiáng)度值在隨著降低，軸向磁場不均勻度差值在逐漸增大。這是因?yàn)橄鄬Υ艑?dǎo)率的變化改變了磁力線的走向，使得磁力線優(yōu)先通過高磁導(dǎo)率部分，從而導(dǎo)致GMM棒上磁場強(qiáng)度值下降。當(dāng)相對磁導(dǎo)率達(dá)到很大值時(shí)，GMA上的閉合磁路就會由殼體、后座、線圈骨架或冷卻骨架構(gòu)成，而通過GMM的磁力線則只是漏磁部分。由圖11和圖12可以看到，當(dāng)μ=1500時(shí)GMM棒上的磁場強(qiáng)度值已經(jīng)很小了。所以，應(yīng)使磁力線優(yōu)先通過GMM棒從而通過導(dǎo)磁塊和整體外磁路構(gòu)成閉合磁路，這樣GMM棒上的磁場強(qiáng)度值才是最大的，冷卻套筒和線圈骨骨架的相對磁導(dǎo)率值取1是最好的。

表4 整體外磁路相對磁導(dǎo)率變化對GMM棒軸向磁場不均勻度差值

圖10 整體外磁路相對磁導(dǎo)率變化時(shí)GMM棒軸向磁場分布

圖11 線圈骨架相對磁導(dǎo)率變化時(shí)GMM棒軸向磁場分布

圖12 冷卻套筒相對磁導(dǎo)率變化時(shí)GMM棒軸向磁場分布

3.6 套筒相對磁導(dǎo)率變化對GMM棒軸向磁場強(qiáng)度的影響

圖13為套筒相對磁導(dǎo)率變化時(shí)GMM棒軸向磁場分布，可以看到相對磁導(dǎo)率的變化對GMM棒軸向磁場分布的影響主要體現(xiàn)在GMM棒上磁場強(qiáng)度值的大小，對磁場不均勻度的影響很小。所以，套筒材料的選擇較為自由，對磁場強(qiáng)度大小要求較低時(shí)可選擇相對磁導(dǎo)率低的材料，對磁場強(qiáng)度大小要求高時(shí)可選擇高磁導(dǎo)率的軟磁材料。

3.7 線圈安匝數(shù)變化時(shí)GMM棒軸向磁場分布

圖14和表5顯示了線圈安匝數(shù)變化時(shí)GMM棒的軸向磁場分布及磁場不均勻度差值，可以看到，安匝數(shù)大小對磁場不均勻度影響較小，主要影響GMM棒上的磁場強(qiáng)度大小。安匝數(shù)變化時(shí)磁場不均勻度發(fā)生變化是因?yàn)檎w外磁路的相對磁導(dǎo)率發(fā)生了變化。通過表5可知，前面分析的各參數(shù)對GMM棒磁場不均勻度的影響及得出的一些結(jié)論是正確的。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了高速開關(guān)閥用GMA的結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算了GMM棒所需的長度和直徑，并結(jié)合高速開關(guān)閥的工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)了線圈尺寸。詳細(xì)分析了各參數(shù)對GMM棒軸向磁場不均勻度的影響，得出采用低磁導(dǎo)率的導(dǎo)磁塊時(shí)GMM棒軸向磁場不均勻度最小，且導(dǎo)磁塊與GMM棒相對磁導(dǎo)率相同或接近時(shí)磁場不均勻度改善可達(dá)到最優(yōu)；氣隙寬度對GMM棒磁場不均勻度影響較顯著，且當(dāng)氣隙寬度為0.4mm時(shí)磁場不均勻度最?。徽w外磁路相對磁導(dǎo)率在150左右時(shí)，效果最好；冷卻套筒和線圈骨架的相對磁導(dǎo)率為1時(shí)GMM棒磁場不均勻度最小；套筒對GMM棒磁場不均勻?qū)τ绊懞苄?，材料選擇較為自由；線圈安匝數(shù)主要影響GMM棒上的磁場強(qiáng)度大小，對磁場不均勻度影響甚小。以上結(jié)論有利于指導(dǎo)在GMA設(shè)計(jì)過程中各部分材料的選擇。

圖13 套筒相對磁導(dǎo)率變化時(shí)GMM棒軸向磁場分布

圖14 電流變化時(shí)GMM棒軸向磁場分布

表5 線圈安匝數(shù)變化時(shí)GMM棒軸向磁場不均勻度差值

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Structuredesign and simulationanalysis of magnetic field for GMA high-speed on-off valve

ZHEN Liang1,2，F(xiàn)ANG Zhanping1,2，MA Zhongxiao3
（1.Gansu Provincial Key Laboratory for Solar Power System Engineering, Jiuquan Vocational and Technical College,Jiuquan 735000,Gansu China; 2.Jiuquan New Energy Research Institute,Jiuquan 735000,Gansu China; 3.Zoomlion Heavy Industry Science&Technology Co.,Ltd.,Changsha 410000,Hunan China）

The structure form ofhigh-speed on-off valve with GMA has been introduced in the text.The required length and diameter of GMM rod have been calculated.By combining with the working features of high-speed on-off valve,the coil dimension has been designed.The detailed analysis has been conducted to the magnetic field of GMA by use of Ansoft software.It is concluded that unevenness of axial magnetic field for GMM rod is minimum when the magnetic block has low permeability.The improvement of unevenness is optimum when the relative permeability between the magnetic block and GMM rod is same or close. The width of air gap has obvious influence to the unevenness of GMM rod magnetic field.The unevenness of magnetic field is minimum when the air gap width is 0.4mm.The coil ampere has mainly affected the magnetic field intensity size of GMM rod,while has little influence to the unevennessof magnetic field.

High-speed on-off valve;GMM;Simulation of magnetic field

TK137.5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.027

1672-0121（2016）06-0104-08

2016-09-28；

2016-10-30

甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（1309RTSF043）；甘肅省科技創(chuàng)新平臺專項(xiàng)資助項(xiàng)目（144JTCF256）

甄 亮（1984-），男，碩士，從事電液伺服控制技術(shù)、液壓元件、現(xiàn)代控制策略等研究。E-mail：04130227.zl@163.com