超磁致伸缩材料在流体控制元件中的应用研究展望

本文介绍超磁致伸缩材料及其应用研究现状，重点提出该材料在流体器件方面可能的应用研究方向。     

超磁致伸缩执行器在机电工程中的应用研究现状

在查阅大量文献的基础上,系统地介绍了超磁致伸缩材料执行器在机电领域中的最新应用开发状况,展望了它的广阔发展前景。     

超磁致伸缩高频微小泵温度补偿结构设计

针对超磁致伸缩材料热变形严重影响超磁致伸缩高频微小泵输出精度的现象,在介绍热补偿方法、分析磁致伸缩材料的热来源和微小泵工作原理的基础上,提出了相变材料和热膨胀补偿机构组合的方法,以控制超磁致伸缩棒热变形对微小泵的输出影响。由理论和试验可以得出,该方法对微小泵的温控效果明显,使温度控制在45 ℃±0.5 ℃,有利于提高超磁致伸缩泵的输出精度,实现了超磁致伸缩泵的微型化。     

稀土超磁致伸缩执行器优化设计及控制建模

研究了超磁致伸缩执行器设计中电、磁、机械及热设计中的优化方法，包括线圈的几何尺寸优化、磁路及偏磁场设计、预压力设计、考虑温度效应的修正模型等；建立了超磁致伸缩执行器基于输入电压一输出位移的控制模型，实验测得系统频率响应曲线与仿真结果一致。     

基于超磁致伸缩材料微小泵的磁场建模与分析

介绍了用超磁致伸缩材料(GMM)作为动力元件的微小泵的结构和工作原理。在建立微小泵轴对称磁场模型的基础上,利用有限元方法对其磁场进行了分析计算,得到了不同输入电流时,GMM棒上的磁场分布及磁场强度沿轴向的分布规律。磁场仿真结果为GMM微小泵磁场分布的预测及磁路结构优化提供了理论依据。     

超磁致伸缩微位移执行器的研制及控制技术

研制了一种利用超磁致伸缩材料Terfenol-D棒材制成的超磁致伸缩微位移执行器，在实践中得到了很好的应用，以单片机和上位PC微机为控制核心，设计并构建了计算机闭环控制系统，完成了相应的软硬件设计，为进一步提高超磁致伸缩执行器的精度，改善整个系统的动态特性奠定基础。     

超磁致伸缩执行器线性驱动电源的设计

针对当前超磁致伸缩执行器驱动电源效率不高问题,采用连续调整型恒流源的原理,并选用功率MOSFET作为功率放大元件,研制出具有“轨-轨”输出特性的线性电流源型GMA驱动电源。实际测试的结果表明,其性能良好,可以满足驱动超磁致伸缩材料的要求。     

超磁致伸缩微位移执行器控制方法的研究

超磁致伸缩材料是近年来发展起来的一种新型功能材料。在分析了超磁致伸缩材料的驱动原理 ,并给出了它的两种驱动结构形式的基础上 ,对采用电流和磁感应强度做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、减小迟滞的结论。     

超磁致伸缩微位移执行器的矢量阻抗分析模型

超磁致伸缩微位移执行器应用于精密、超精密加工场合时,执行器系统易受外负载影响,且在动态工作状态下会产生磁滞和涡流等效应,引起工作性能发生改变。应用线性压磁方程,机电换能方程和阻抗分析理论建立超磁致伸缩执行器的矢量阻抗分析模型。模型中将执行器系统的矢量阻抗分为机械导纳和电气阻抗两部分讨论,在机械导纳中引入负载影响,将压磁系数定义为复常数,模拟磁滞效应;在电气阻抗中,通过在求解的超磁致伸缩材料内部磁场引入涡流影响项来模拟系统的非线性特性;两部分之和得出超磁致伸缩微位移执行器系统的矢量阻抗。试验结果显示模型计算的系统矢量阻抗值与测量值间幅值误差约7%,相位误差约7.7%,表明所建立的模型能够近似描述系统在精密加工场合时的阻抗特性,可为超磁致伸缩微位移执行器的设计、控制和性能优化提供指导。     

基于圆形膜片柔性结构的超磁致伸缩执行器的研究

分析了超磁致伸缩材料的工作机理及特性，介绍了超磁致伸缩微位移驱动系统的组成原理和微位移执行器的结构。在此基础上，提出一种元摩擦和无爬行现象的圆形膜片柔性结构作为微位移执行器的力和位移的传递机构，建立其简化的力学模型，并采用弹性力学和有限元的方法对其力学性能进行了理论分析。实验结果表明，基于圆形膜片柔性结构的超磁致伸缩微位移执动器具有结构紧凑、重复精度高、输出位移大（可达40um）的优点。     

超磁致伸缩电-机械转换器模型分析

讨论超磁致伸缩电－机械转换器集中参数机电模型及滞回特性模型建模方法。建立的超磁致伸缩电－机械转换器集中参数模型在中低频段能反映其动态行为,滞回特性模型能有效描述电－机械转换器的电流－位移滞回关系。仿真结果与实验特性能很好地吻合,表明提出的２种模型是有效的。     

稀土超磁致微致动器驱动电源实验研究

介绍了稀土超磁致伸缩微致动器的结构、工作原理，给出了基于功率MOSFET管的超磁致伸缩执行器驱动电源的电路，实验表明该驱动电源可以满足微致动器的工作需要。     

超磁致伸缩电─机械转换器热变形补偿试验研究

介绍了为克服超磁致伸缩电─机械转换器热形变输出而研制的可微调的热变形补偿机构的结构、理论分析和试验结果。结果表明,提出的补偿机构能有效地补偿GMM棒的热变形,提高了GMA的位移输出特性。     

超磁致驱动器迟滞系统逆模补偿控制

设计了超磁致驱动器和实验系统。针对超磁致伸缩执行器的磁滞非线性问题，对迟滞系统进行了可逆性分析后，采用BP神经网络对超磁致驱动器的迟滞特性建立了逆模型。分别进行了有逆模前馈的开环控制、传统PID控制和PID加逆模前馈的闭环控制来补偿迟滞特性。实验结果表明，逆模前馈补偿器有效地减小了系统的非线性误差，提高了执行器的控制精度。     

超磁致伸缩驱动器双向可控恒流驱动电源的研究

针对超磁致伸缩驱动器的工作原理和电源驱动特点,设计了一种基于DSP控制能实现电流-4 A～+4 A连续可调的双向可控恒流驱动电源.该电源经实际测试性能良好,能满足超磁致伸缩驱动器的工作要求.     

阀用超磁致伸缩致动器偏置磁场分布结构设计

在液压阀工作空间环境限制的条件下,设计了一种体积精小、结构紧凑的阀用超磁致伸缩致动器。针对该种致动器内部偏置磁场强度均匀性较差的问题,利用有限元仿真方法对其偏置磁场分布结构进行了分析及设计,通过引入磁场不均匀度及平均磁场强度两性能指标对偏置磁场分布结构进行区别,同时结合实际情况,确定了最佳偏磁分布结构为超磁致伸缩棒段数n=3时;制作了阀用超磁致伸缩致动器试验样机,并对样机磁场强度进行了测试。实验结果表明,超磁致伸缩棒表面的磁场分布与仿真结果具有相同的变化趋势,其磁场不均匀度约为22.7%,说明所设计偏置磁场结构是合理的,该研究对于液压阀件的设计具有一定意义。     

超磁致伸缩致动器优化设计与特性测试

设计了超磁致伸缩致动器(GMA),对线圈尺寸及绕线进行了优化设计,并测试了超磁致伸缩致动器的静、动态特性。在分析超磁致伸缩材料特性的基础上设计了GMA基本结构,并确定了偏置磁场的加载方式。研究了线圈尺寸参数对线圈轴线上磁场分布和线圈的电-磁转换效率两方面的影响,优化设计了线圈的尺寸;提出了线圈功耗表达式并分析了绕线直径对功耗的影响,择优选取了绕线。实验表明GMA具有较好的静态、动态特性,且GMA工作特性与设计参数相吻合,证明了线圈优化设计的合理性。     

超磁致伸缩驱动器的输出特性研究

介绍了超磁致伸缩驱动器结构及其内部磁路的设计方法,对采用国产材料研制的驱动器位移及力的输出特性进行了测试。试验结果表明,该驱动器具有理想的动态和静态输出精度和输出范围,可以用于精密设备的低频主动隔振平台中。     

超磁致伸缩驱动器频率相关的动态磁滞模型

考虑超磁致伸缩驱动器频率相关的涡流损耗和异常损耗,将Jiles-Atherton静态磁化强度模型扩展为动态磁化强度模型。基于动态磁化强度模型及驱动器结构动力学原理,建立驱动器的动态磁滞模型,并应用遗传算法辨识该模型的参数。试验结果表明,该模型能在较宽的频率范围内较好地描述驱动器的动态磁滞特性,对驱动器的性能估计和控制器设计具有重要指导意义。     

超磁致伸缩驱动器的热致输出及其抑制方法

分析了超磁致伸缩驱动器的热特性,提出了采用相变材料控制超磁致伸缩棒温升的抑制方法。在对各种热致输出抑制方法进行对比分析的基础上,提出组合温控的设想。试验结果表明组合温控能将超磁致伸缩棒的温度控制在45±0．5℃,超磁致伸缩驱动器相应的输出精度达到0．5μm。