超磁致伸缩作动器结构设计与分析

以设计一款能长期工作且最大工作位移为50μm、最大输出力为2 kN的新型超磁致伸缩作动器为目的.在分析超磁致伸缩作动器结构及工作原理的基础上,对关键参数进行设计.选取超磁致伸缩材料的最佳预压应力,通过计算确定超磁致伸缩棒的几何参数;同时,为提高作动器的工作效率,对电磁线圈进行优化设计以及关键参数进行分析.利用MATLAB、ANSYS对其进行仿真分析.实验表明,所设计的作动器满足设计要求.其研究结果对超磁致伸缩作动器的结构设计及相关理论计算具有参考价值.     

磁致伸缩致动器的输出位移与输入电流频率关系实验研究

针对设计的超磁致伸缩致动器(Terfenol-D 棒φ10mm×85mm)进行了实验研究,主要考虑具有偏置磁场和无偏置磁场时交流输入电流频率与位移输出特性之间的变化关系.通过对致动器建立纵向振动方程,计算得到谐振频率应在1.026～3.078kHz和1.660～4.980kHz范围内.同时实验结果表明谐振频率在2.2kHz附近,与理论分析一致.谐振时致动器的位移输出最大可达68μm,且输入输出为倍频关系.实验研究揭示了超磁致伸缩致动器的频率域输入输出特性,为致动器的优化与应用奠定了基础.     

超磁致伸缩材料的伸缩特性及其磁感应强度控制原理及方法的实现

超磁致伸缩材料 (GiantMagnetostrictiveMaterial,简称GMM )是近年来发展起来的一种新型功能材料。在分析了磁致伸缩现象产生的唯象机理的基础上 ,建立了超磁致伸缩材料的控制模型 ,提出采用磁感应强度作为控制量的原理及其在执行器中的具体实现方法 ,并对采用电流强度 (磁场强度 )和磁感应强度作为控制量的两种控制方法进行了对比分析和实验研究 ,得出了基于磁感应强度的控制方法可提高超磁致伸缩微位移执行器的线性度和控制精度并减小滞回的结论。     

大行程宏微驱动器结构设计与性能分析

针对超磁致伸缩驱动器存在行程短的问题,将音圈电机与超磁致伸缩驱动器结合,研究一种大行程宏微驱动器的新结构,并采用ANSYS Maxwell进行仿真,得出在不同宏动位移情况下磁力线分布;计算了宏动力和波动力范围,得出宏动定位的最佳范围;推导出微动线圈内GMM棒轴线的平均磁场强度随宏动位移和宏动线圈厚度的变化规律。验证了大行程宏微驱动器的可行性。     

超磁致伸缩谐波电机的微位移放大器研究

设计了一种基于帕斯卡原理的液压微位移放大装置,用于超磁致伸缩谐波电机中致动器的微位移放大。对放大器的原理、结构形式及输出特性进行了研究,同时分析了影响实际放大倍率的结构参数、系统因素并提出了改进措施。此液压微位移放大装置是用于超磁致伸缩谐波电机中的理想微位移放大装置,具有结构构紧凑、承载力大、放大倍数高等优点。     

超磁致伸缩致动器的磁-机械强耦合模型

稀土一铁超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料，其应用越来越受到人们的关注。为了有效地设计、开发超磁致伸缩材料的器件，必须建立材料器件的输入输出模型。利用能量变分原理，针对研制的超磁致伸缩致动器，建立了系统的磁一机械强耦合模型，并应用有限元法计算了致动器的输入电流与输出位移的关系曲线。计算值与实验值比较吻合，表明所建立的模型能够反映致动器的输入输出关系，模型对于设计超磁致伸缩器件、优化设计方案具有重要意义。     

应用光纤Bragg光栅的新型直流电流测量方法

光学电流互感器因具有许多传统电磁感应式电流互感器无法比拟的优点,具有广阔的应用前景,但目前国内应用于直流测量的研究报道较少。为此基于光纤Bragg光栅的应变敏感性和磁性材料的磁致伸缩效应,提出了一种新型直流电流测量方法。在详细分析超磁致伸缩材料(GMM)调制光纤光栅时存在的磁滞非线性以及测量精度的温漂问题后,通过施加合适的偏置磁场、预压应力,改善了磁滞非线性特性,利用光纤Bragg光栅的可串联特性设计温度补偿系统,解决了温漂问题,实现了光纤Bragg光栅(FBG)波长漂移量与轴向应变量的线性调谐关系,并以此设计了实验样机。实验表明,该装置具有结构简单、线性度好、灵敏度高等特点。该方法为高压直流输电电流检测提供了一种新的有效手段。     

扭转力作用下Fe-Ga磁致伸缩位移传感器的 输出特性

为提高磁致伸缩位移传感器的测量精度,需要从理论和实验上分析传感器的输出特性。针对扭转力作用下波导丝发生磁化状态的改变进而影响传感器的输出特性这一问题,基于材料力学求解扭转应力,并从磁畴角度分析扭转力对魏德曼效应的影响,结合Fe-Ga合金的非线性本构模型和磁致伸缩逆效应等建立磁致伸缩位移传感器的输出电压模型,计算不同螺旋磁场和扭转力下的输出电压。搭建预加扭转应力下输出电压的测试平台,从理论和实验上确定输出电压随扭转应力的增大呈非线性减小的变化规律。研究还表明:在同一磁场下,正向扭转应力导致的电压降小于反向扭转应力导致的电压降,提高偏置磁场或激励磁场可以从一定程度上抵消扭转应力对电压的影响。研究可为设计大量程高精度的位移传感器提供理论依据与指导。     

基于ANSYS的磁致伸缩逆效应仿真方法研究

矩阵形式的压电与压磁方程及其各自在不同边界条件与变量下的转换关系在数学结构上具有一致性,即电学量与磁学量具有等效关系,由此提出通过ANSYS压电分析模块仿真超磁致伸缩材料(GMM)的磁致伸缩逆效应。GMM在恒载荷作用时,磁感应强度与偏置磁场强度成正比,GMM在恒偏置磁场下,载荷与磁感应强度具有相似的变化波形。理论与仿真分析表明,基于电学量与磁学量的等效,利用ANSYS压电耦合模块可在一定程度上分析磁致伸缩逆效应的相关性质,该方法对设计逆效应原理的GMM器件具有一定的辅助意义。     

超磁致伸缩微驱动系统的逆变多路电源设计

基于超磁致伸缩微驱动系统的应用,设计了一种多路输出逆变开关电源.该电源以脉宽调制芯片SG3525为核心,采用推挽拓扑转换结构,实现单输入直流电压转换为多路正负直流电压输出,提供给超磁致伸缩微驱动系统的驱动和传感电路.实际运行和测试表明该电源具有稳定性好、电流高、体积小、结构简单的特性,满足微驱动系统的工作要求.     

椭圆驱动超磁致电动机设计

超磁致材料GMM(Giant Magnetostrictive Material)作为高科技功能材料得到了迅速发展，由于具有大的室温超磁致伸缩系数，高的电(磁)能．机械能转换率，高能量密度，响应快等优异特性，GMM得到了广泛应用。文中根据GMM磁-机能量耦合转换机理，结合有限元分析开发了CAD软件，设计了GMM微致动器，并通过GMM致动器组合构型，构思与研制了一种具有高出力、快响应、可控性好的新型椭圆驱动超磁致电动机，并得到了试验验证。     

考虑附加涡流损失的超磁致伸缩执行器动态模型

超磁致伸缩执行器在高频下工作时,能量损失不仅包括磁滞损失、Terfenol-D棒涡流损失,还包括Terfenol-D棒附加涡流损失。该文考虑到执行器的惯性、阻尼、Terfenol-D棒涡流损失及附加涡流损失,建立了超磁致伸缩执行器的动态模型。其磁滞特性由Berqvist和Engdahl磁滞模型来描述,材料非线性由输入到模型静态实验数据体现。模型求解使用有限差分方法,在Matlab/Simulink中建立相应模型仿真结构框图。对执行器不同工作频率情况进行模型的仿真计算,并与实验结果对比,发现模型与实验吻合较好。表明所建立动态模型能较好地描述执行器输出位移与驱动电流之间的关系。该模型对优化设计超磁致伸缩执行器有指导意义。     

超磁致伸缩致动器输出位移仿真分析

基于超磁致伸缩材料设计致动器,仿真分析了线圈匝数、质量等参数对致动器动态输出位移的影响。建立了致动器位移的单自由度线性系统模型,并求解了系统传递函数;利用MATLAB软件的step函数得到了各参量变化时系统的单位阶跃响应,据此分析了各参量对系统上升时间、稳态值等性能参数的影响。结果表明:增大线圈匝数和减小负载刚度有利于增大系统的稳态响应,减小质量和增大超磁致伸缩棒刚度有利于缩短系统响应时间,适度增大系统阻尼有利于减小系统超调量。研究结果对超磁致伸缩材料致动器的设计具有一定指导意义。     

超磁致伸缩致动器动态线性模型及实验验证

在电磁学原理和机械振动原理的基础上，通过分析致动器的Terfenol-D棒、弹簧和输出顶杆的机械阻抗，建立了致动器的动态线性模型, 该模型描述了输出位移和输入电流间的关系。应用该模型对致动器的输出位移进行计算，计算结果与实验结果比较发现，在频率范围0~2200Hz区间内，可以采用该模型描述致动器在不同频率交流磁场作用下的输出位移特性，通过实验验证了模型的正确性和实用性。研究结果对于致动器的设计、优化与应用奠定了基础。     

驱动频率对超磁致伸缩致动器的损耗和温升特性的影响

从超磁致伸缩材料的压磁效应入手,基于能量极小值条件和磁学理论,分析了磁化过程中磁弹性力对材料中磁场的影响,分析了不同驱动频率下材料的涡流损耗、磁滞损耗以及复数磁导率的频率特性,对致动器中的磁能损耗以及损耗带来的温升特性进行仿真实验.结果表明,利用涡流损耗的计算公式得到的结果与有限元仿真结果吻合较好,该公式可适用于超磁致伸缩材料在中低频下的损耗计算,而高频下复数磁导率的变化将增大材料内部磁场的滞回非线性.实验结果表明,致动器中超磁致伸缩材料轴向温度分布随驱动频率的变化而变化;实验验证了计算与仿真结果的正确性,在此基础上分析了强制水冷对致动器温升的控制,所得结论为超磁致伸缩致动器的设计提供参考.     

超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型

超磁致伸缩致动器的输入磁场与输出应变存在着磁滞非线性。为了控制及使用致动器，必须建立其准确的数学模型。该文基于Jiles—Atherton磁滞模型、二次畴转模型、非线性压磁方程和致动器结构动力学原理，建立了超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型。应用该模型对致动器的输出应变进行计算，计算结果与实验结果符合较好，验证了模型的正确性和实用性。