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。     

超磁致伸缩泵驱动磁路建模及数值分析

提出了一种面向固液混合作动器的新型超磁致伸缩泵结构。对超磁致伸缩泵驱动磁路进行了数学建模,采用有限元法对其磁场分布进行了数值模拟,并与理论计算结果进行对比,发现超磁致伸缩棒上磁感应强度的理论计算值与仿真结果基本吻合。采用磁场有限元法分析了超磁致伸缩棒的轴向磁场与径向磁场均匀性,发现径向磁场均匀性明显高于轴向;针对不同长度的棒进行了轴向磁场均匀性分析,揭示了其影响与作用规律;在此基础上对驱动磁场进行了动态数值模拟,发现在输入电压恒定时超磁致伸缩棒内的磁感应强度随着输入信号频率的提高而衰减,实验与仿真结果的对比验证了仿真的正确性。     

双线圈超磁致伸缩换能器三维磁场分析与优化

针对超磁致伸缩换能器工作性能以及磁场环境问题,对超磁致伸缩换能器磁场强度、漏磁以及超磁致伸缩材料(GMM)棒磁场均匀率进行了研究,并基于GMM设计了一种双线圈换能器。在分析了GMM特性以及超磁致伸缩换能器工作原理的基础上,提出了以增大GMM棒磁场强度、减少漏磁和提高磁场均匀率为设计原则,将GMM棒轴线方向上磁场强度作为评价标准,采用COMSOL Multiphysic有限元仿真软件对双线圈超磁致伸缩换能器进行三维磁场仿真,分析了超磁致伸缩换能器在工作过程中上下导磁体和导磁回路的结构参数对磁场均值大小和磁场均匀率大小的影响规律。研究结果表明:随着导磁体半径的增加,GMM棒磁场均匀率先增加然后增幅缓慢趋于平衡,磁场均值先不变,然后大幅降低;随着导磁回路相对磁导率增加,GMM棒磁场强度均值大幅增加,当相对磁导率达到1 500时,磁场强度均值基本趋于平衡,经过优化,磁场均匀率从59.7%提高到90.5%,增幅为30.8%。     

喷油器用超磁致伸缩致动器多自由度模型

为满足高压共轨喷油器球阀的驱动要求,设计喷油器用超磁致伸缩致动器。考虑超磁致伸缩棒轴向磁场强度分布的不均匀性,计算磁场强度为电流和轴向尺寸的二元函数,并基于J-A模型、二次畴转理论和振动理论建立致动器的多自由度模型;确定合理的自由度取值,并给出模型的阶跃信号稳态响应解、状态空间形式,并采用Matlab软件进行求解;计算得到致动器直流稳态响应和低频正弦响应,并与试验结果对比验证模型的准确性;将油液负载近似为弹性-阻尼负载,利用文中的模型预测致动器在喷油器中的响应特性。结果表明,多自由度模型计算的直流稳态响应与试验结果误差较小,低频正弦响应曲线在形状和数值上与试验结果吻合,说明模型比较准确;经过模型计算,所设计的喷油器用致动器加载后输出位移大,响应时间快,能够满足驱动要求。     

用于超精密隔振的稀土超磁致伸缩致动器设计

介绍了超精密隔振平台的结构和振动控制原理 ,设计了稀土超磁致伸缩致动器作为驱动装置 ,并阐明致动器的结构和工作原理 ;分析了致动器工作磁场的组成及线圈轴向磁场的分布情况 ;研究了致动器振动控制的频率特性。实验表明所设计的稀土超磁致伸缩致动器具有良好的振动控制效果。     

新型阀用超磁致伸缩致动器结构设计与实验研究

为减小阀用超磁致伸缩致动器的体积,提出一种新型超磁致伸缩致动器,设计了其关键部件,最后通过实验分析了其静、动态特性.该新型超磁致伸缩致动器采用非磁性不锈钢套筒安装超磁致伸缩筒料和棒料的结构进行位移传递.设计了以碟簧为核心的预压机构、超磁致伸缩棒料和筒料、位移传递套筒、驱动线圈等超磁致伸缩致动器关键部件.实验表明,该致动器在工作区段最大输出位移可达100 μm,且在低频驱动(0 ～200 Hz)下动态特性良好.该新型超磁致伸缩致动器可以在保证与传统超磁致伸缩致动器低频输出特性基本一致的前提下减小了自身体积.     

基于位移传递机构的超磁致伸缩致动器磁场分析

为放大超磁致伸缩致动器的位移,设计了位移传递机构以叠加致动器中超磁致伸缩棒和筒的输出。针对该致动器中棒和筒的磁场分布问题,基于有限元法建立了磁场强度的计算电磁学模型,并利用ANSYS软件进行了仿真。通过仿真得到了棒和筒上任一点磁场强度,并基于一种新的平均化方法确定了截面磁场强度平均值;最后得到位移传递机构取不同磁导率时棒和筒上磁场强度的轴向分布规律。     

超磁致伸缩驱动器驱动磁场仿真分析

为了充分发挥超磁致伸缩驱动器的特性,提高超磁致伸缩驱动器驱动磁场的性能,通过采用电流励磁法,建立基于磁感应强度为控制变量的单层空心线圈、多层空心线圈和带超磁致伸缩棒的多层线圈的轴线磁感应强度数学模型,分析超磁致伸缩棒、线圈长度和线圈半径对驱动磁场的均匀性和驱动磁场大小的影响.仿真结果表明,减小超磁致伸缩棒与驱动线圈之间的气隙,能提高驱动磁场的线性度;在满足设计要求的范围内,增加线圈长度,减小线圈半径,能够提高驱动磁场均匀性;仿真结果对超磁致伸缩驱动器驱动磁场的设计提供了一定的理论依据.     

电控喷油器用超磁致伸缩致动器发展现状

电控喷油器用致动器的性能,对喷油器喷油特性以及发动机工作性能具有重大影响。探讨了应用超磁致伸缩材料作为换能元件的超磁致伸缩致动器在电控喷油器中的应用现状。首先,介绍了超磁致伸缩致动器的发展背景;其次,简要介绍了超磁致伸缩材料的作用机理、优良特性以及超磁致伸缩致动器的结构原理;然后,将电控喷油器按照致动器通电工作方式、驱动方式的不同进行分类,系统梳理了超磁致伸缩致动器应用于电控喷油器的研究现状;最后,展望了电控喷油器用致动器的发展方向。     

超磁致伸缩致动器能量损耗特性分析

提出了超磁致伸缩棒内部平均磁场计算方法,结合动态J-A模型以及线圈阻抗公式得到了超磁致伸缩致动器的能耗特性。分析了超磁致伸缩棒能耗、线圈能耗以及超磁致伸缩致动器总能耗随频率的变化趋势。分析结果表明,超磁致伸缩棒以及线圈能耗均随着频率的增大而增大,而且超磁致伸缩棒能耗占超磁致伸缩致动器总能耗的比例会随着频率的增大而增大。计算了油冷条件下超磁致伸缩棒的表面温度,计算结果与实验结果较为吻合,证明了能耗模型的正确性。分析过程及方法为超磁致伸缩致动器的设计和控制提供了有益的参考。     

A giant magnetostrictive actuator based on use of permanent magnet

The giant magnetostrictive actuator has some unique performances, such as precision position resolution, several kilonewtons of force output, fast frequency response, etc., so it is suitable for the field of ultraprecision measurement and ultraprecision machining. Due to the effect of temperature, the displacement of traditional giant magnetostrictive actuator based on the use of electromagnetism transforming must present nonlinearity. For avoiding this problem, a kind of giant magnetostrictive actuator based on the use of permanent magnet is present in this paper. The driving magnetic field generated by permanent magnetic field can avoid skin effect and eddy current caused by electromagnetism transforming mode for giant magnetostrictive actuator and the performances of actuator are better than that based on electromagnetism transforming. The structure and principle about this driving mode are described in this paper and the value and uniformity of magnetic field affected by some key parameters are mainly discussed in this paper. At last, through several experiments of displacement and creep, it is verified that the driving mode of actuator based on use of permanent magnet is advanced.     

磁致伸缩导波传感器换能效率估计方法

偏置磁场与磁致伸缩纵向导波传感器换能效率密切相关,为了解决磁致伸缩纵向导波检测中缺少传感器换能效率估计手段的问题,提出了一种估计永磁式磁致伸缩纵向导波传感器换能效率的方法。首先,从磁致伸缩导波能量转换的角度出发,建立了截面区域偏置磁场强度与导波接收信号幅值间的关系;其次,根据磁致伸缩纵向导波偏置磁场的作用机理,针对管道内磁场不均匀现象,提出了磁致伸缩纵向导波传感器换能效率的评估方法;然后,通过有限元仿真及实验对通过管道表面空气中的磁场强度表征管道内偏置磁场的可行性进行了验证;最后,通过实验确定了方法的有效性。该方法通过测量管道外表面空气中周向多个位置的轴向磁场强度表征管道截面内偏置磁场强度,利用偏置磁场强度与导波通过信号幅值关系曲线得到不同区域单元振动对导波信号的能量贡献计算得到加权幅值,并以此幅值为依据估计传感器的换能效率。实现了对磁致伸缩导波传感器换能效率的估计,为仪器智能化研究提供了基础。     

叠堆式超磁致伸缩致动器的模型预测滑模控制

根据新型电液伺服阀的驱动要求,设计了叠堆式超磁致伸缩致动器(SGMA),为补偿其固有的非线性,提高位移输出精度,研究了SGMA的控制策略,并对控制策略进行了仿真和实验验证。首先,采用永磁体和GMM棒交替排布的结构形式设计了SGMA,有助于提高偏置磁场的均匀性;然后,根据SGMA的结构特点,将其视为多自由度振动系统,建立了系统的位移输出模型;接着,在输出模型的基础上,结合模型预测控制与滑模控制策略,设计了模型预测滑模控制器;最后,进行了控制策略仿真和实验验证。实验结果表明,模型预测滑模控制器能够实现SGMA的精密控制。在阶跃控制实验中,系统稳定时间低于1.5ms,无超调和稳态误差;在正弦控制实验中,系统最大控制误差约为0.83μm,相对值约为6.9%,证明了控制策略的有效性。     

超磁致伸缩体内涡流效应有限元分析

为补偿涡流效应产生的温度与反相磁场对超磁致伸缩微位移驱动体位移输出造成的非线性,从电磁场基本原理出发,推导了超磁致伸缩驱动器内的涡流分布和大小的数学模型。利用伽辽金加权余量法和牛顿-拉夫逊迭代法得到涡流效应数学模型的解析公式。通过解析公式分析超磁致伸缩驱动器内驱动体横截面上的电磁场分布,进而得到驱动体上各部分涡流大小及分布与输入电流频率增加的对应关系。当输入频率大于1 kHz时,涡流有限元模型计算得到的涡流导致磁场损耗量与实测磁场强度相差约4.6 mT,表明此模型可以对超磁致伸缩驱动体内的涡流损耗进行有效的补偿。     

影响超磁致伸缩执行器中逆效应性能的主要因素

超磁致伸缩材料(GMM)是一种具有双向可逆换能效应(磁-机、机-磁)的新型功能材料,利用其逆效应在超磁致伸缩执行器(GMA)驱动过程中感知出传感信号,可实现自感知执行器.探讨超磁致伸缩逆效应的机理,设计一种试验方法,验证了超磁致伸缩执行器中的磁致伸缩逆效应.揭示预压应力、偏置磁场和激振力频率等因素对超磁致伸缩逆效应性能的影响规律,预压应力越大则逆效应性能越差,适当的偏置磁场可使逆效应性能显著增强,激振力频率越高,力感知灵敏度越高,但不成简单的正比关系.试验证明了GMA作力传感器有效性,提出一种分时结构的自感知GMA.     

双相对置超磁致伸缩驱动器输出位移的有限元分析

为了充分发挥超磁致伸缩材料的性能,提高超磁致伸缩驱动器的输出特性,提出了一种双相对置超磁致伸缩新型驱动器,介绍了新型驱动的结构组成与工作原理.在建立双相对置超磁致伸缩驱动器轴对称模型基础上,利用有限元法对驱动器的磁场分布进行了分析,并通过数值积分方法计算在不同励磁电流激励下超磁致伸缩棒的伸长量,并最终计算出驱动器的输出位移,根据计算结果对驱动器的线性工作范围做出了有效的估计.结果表明,新型驱动器具有更好的输出线性度和更大的输出位移.     

超磁致伸缩驱动器及有限元分析方法的研究

新型超磁致伸缩材料TbDyFe具有输出力大、位移分辨力高及位移范围大等特点,将其应用于微位移驱动器中,将极大的提高驱动器的性能指标,从而推动超精加工技术的发展.文中介绍了应用超磁致伸缩材料研制的驱动器的结构及性能,并利用有限元方法对建立磁-机械耦合模型进行分析,以利于计算机的模拟仿真,对驱动器进行分析及设计.