磁滞特性测试及其在GMM结构设计中的应用

GMM本身具有较强的磁滞非线性特性，GMM在磁化过程中磁畴畴壁移动和磁畴转动不是完全可逆的，畴壁移动和磁畴转动过程中由于摩擦产生能量损耗是引起磁滞现象的主要原因，其磁化曲线如图2－8所示。假设磁化过程是理想的，畴壁移动和磁畴转动是完全可逆的，随着磁场强度的增加，磁化强度沿着无磁滞磁化曲线增大，磁化强度由0逐渐增大到正向饱和；随后减小磁场强度到负值，磁化强度沿着无磁滞磁化曲线反向逐渐减小，通过0至反向饱和；反方向增大磁场强度，磁化强度又回归到0。但实际中，由于能量损耗的存在，逐渐增大磁场强度时，GMM的磁化强度沿着初始磁化曲线逐渐增大至饱和；再逐渐减小磁场强度至0时，由于磁畴移动和转动消耗的能量，材料内部会残留部分磁化强度，必须施加一定的反向磁场强度，磁化强度才会回归到0；继续增大反向磁场强度，GMM反向磁化至饱和。无论是正向磁化还是反向磁化，都必须施加一定的反向磁场强度，才能使磁化强度等于0，重复此过程，形成的曲线就是磁滞曲线。

图2-8　GMM的磁化曲线

掌握GMM的磁滞特性有助于致动器的结构设计和优化。在10 MPa的预压力下，无偏置磁场，外形尺寸为φ3 mm×20 mm的GMM棒分别 在1 Hz、50 Hz、100 Hz和200 Hz的交变磁场驱动下的磁致伸缩应变曲线如图2－9所示。从图2－9可以看出，由于未设置偏置磁场，各频率下曲线呈“蝴蝶”状，应变在磁场强度正负方向上都为正，出现倍频现象。随着驱动频率的增大，磁滞特性逐渐变得明显，滞环宽度也逐渐增大。这主要是由于随着频率的增大，GMM磁致伸缩的速度越大，GMM内部磁畴畴壁移动和磁畴转动的速度也越大，消耗的能量也越多，必须施加更大的磁场强度才能使磁化强度等于0。

另外，在磁化过程中，交变磁场使得GMM内的磁通量也是交变的，这种变化将在GMM内产生垂直于磁通量的环形感应电流，即涡流，涡流会消耗磁化过程中的能量，涡流损耗与交变磁场的频率成正相关。在交变磁场一个周期输入能量不变的条件下，频率越高，涡流损耗就越大，GMM的磁致应变就越小。由图2－9可得，驱动频率为1 Hz时，最大磁致伸缩应变为3.74×10－4；驱动频率为200 Hz时，最大磁致伸缩应变减小为3.48×10－4。

图2-9　不同频率下无偏置磁场的磁致伸缩应变曲线(www.xing528.com)

（a）1 Hz；（b）50 Hz；（c）100 Hz；（d）200 Hz

如图2－10所示，在GMM两端设置永磁体偏置磁场，不同驱动频率时GMM棒的应变曲线。因为偏置磁场提供恒定的磁场强度，偏置磁场叠加上激励线圈交变磁场，使得GMM总磁场始终处于正值，GMM在线圈交变磁场作用下为单方向增长，应变曲线呈细长椭圆形。从图2－10可以看出，有偏置磁场的磁滞特性和无偏置磁场类似，随着频率的增加，磁滞特性也变得明显，滞环逐渐变大。同样受涡流损耗的影响，随着频率的增大，磁致伸缩应变逐渐减小，驱动频率由1 Hz增大至200 Hz时，最大磁致伸缩应变由7.82×10－4减小至6.87×10－4。

图2-10　不同频率下有偏置磁场的GMM棒磁致伸缩应变曲线

（a）1 Hz；（b）50 Hz；（c）100 Hz；（d）200 Hz

无论是有偏置磁场还是无偏置磁场，GMM的磁致现象是不可避免的，而且频率越高，磁致现象就越明显。GMM的磁滞特性是致动器输出延迟的重要原因之一，对于箝位式致动器尤为重要，因为磁致特性会影响箝位式致动器各机构的相互配合，掌握GMM的磁滞特性，可以为后续箝位式致动器的驱动信号时序优化和性能提升提供参考和依据。