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。     

超磁致伸缩谐波电机致动器设计方法与特性研究

针对普通谐波齿轮传动需由电机经波发生器输入运动和动力,空间利用率低、惯性大、高速响应差的问题,提出一种由超磁致伸缩材料驱动的有源谐波电机。致动器作为谐波电机动力源及换能装置,对其磁场强度、均匀性、漏磁及空间限制等均有严格要求,据此提出分段内置式永磁结构布局,充分利用空间并改善均匀性;通过对偏置磁场和驱动磁场强度及均匀性影响因素研究,优化致动器参数;随后利用有限元法建立致动器模型并对磁场特性仿真分析;根据优化结构研制出超磁致伸缩谐波电机致动器样机,并对其输出特性试验研究。理论分析与试验结果表明,分段内置式永磁结构漏磁极小,所提出的设计理论和方法,保证了磁场强度和均匀性的同时也保证了致动器工作在准线性范围内,输出规律符合啮合要求,易于实现精准控制,为超磁致伸缩谐波电机走向实际应用奠定了基础。     

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。     

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.     

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。     

大功率超磁致伸缩作动器的仿真与试验

分析了结构参数对大功率超磁致伸缩作动器动态性能的影响。为了提高作动器的动态性能,其驱动线圈采用减少匝数、增加线径、大电流驱动的设计方案;选取了超磁致伸缩材料(GMM)棒最佳的预压应力和磁场强度,计算确定了GMM棒的几何参数;建立了以牛顿第二定律为基础的作动器阶跃响应、参数变化的模型,利用MATLAB对其进行了仿真分析。结果表明,GMM棒长度和直径、负载端质量对作动器力和位移输出有重要影响。研究结果可为超磁致伸缩作动器的结构优化与设计提供参考。     

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。     

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。     

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。     

超磁致伸缩喷油器阀口开度建模

设计一种超磁致伸缩喷油器,其特点为超磁致伸缩致动器直接驱动针阀。将整个系统视为单自由度线性系统,建立了系统的动力学方程,求解得到无针阀阀体撞击时的阀口开度表达式。利用初速度分析了撞击对阀口开度的影响,并分析了静止位置和频率比两个可控参数的影响。得到稳态平衡位置要略低于静止位置,才能保证针阀无激励时可靠关闭;频率比高于5时,棒伸长量的95%都用于开启阀口的结论。     

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。     

Non-linear compensation and displacement control of the bias-rate-dependent hysteresis of a magnetostrictive actuator

Magnetostrictive actuators invariably exhibit bias-rate-dependent hysteresis, which could cause vibration and error in the micro-positioning control. We present a methodology for linearization control for the hysteresis of a magnetostrictive actuator with a wide range of input rates and biases. The hysteresis compensation is attained through application of a dynamic Bouc-Wen model and experimental measured hysteresis properties of the magnetostrictive actuator under inputs with different frequencies and biases. The effectiveness of the compensator for hysteresis is demonstrated through experimental results of the magnetostrictive actuator under inputs at different frequencies and bias levels. Based on the proposed compensator, a displacement PID controller is applied to force the output displacement of the magnetostrictive actuator to track the desired displacement accurately thereafter. The maximum absolute tracking errors is 0.052 μm. Compared to the control results without the compensator, the compensator can reduce the control error by about 85%. The results indicate that this study provides an effective method which can compensate the hysteresis of the magnetostrictive actuator under different frequencies and biases of inputs.     

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.     

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。     

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。     

Magnetostrictive and Kinematic Model Considering the Dynamic Hysteresis and Energy Loss for GMA

Due to the influence of magnetic hysteresis and energy loss inherent in giant magnetostrictive materials (GMM), output displacement accuracy of giant magnetostrictive actuator (GMA) can not meet the precision and ultra precision machining. Using a GMM rod as the core driving element, a GMA which may be used in the field of precision and ultra precision drive engineering is designed through modular design method. Based on the Armstrong theory and elastic Gibbs free energy theory, a nonlinear magnetostriction model which considers magnetic hysteresis and energy loss characteristics is established. Moreover, the mechanical system differential equation model for GMA is established by utilizing D’Alembert’s principle. Experimental results show that the model can preferably predict magnetization property, magnetic potential orientation, energy loss for GMM. It is also able to describe magnetostrictive elongation and output displacement of GMA. Research results will provide a theoretical basis for solving the dynamic magnetic hysteresis, energy loss and working precision for GMA fundamentally.     

超磁致伸缩电—机转换器位移感知模型及滞环分析

超磁致伸缩电—机转换器响应快、可靠性高,但动态驱动时,因受磁滞、涡流等因素影响,输出位移的滞环较大。需要以准确的数学模型为基础,通过控制算法来补偿滞环,或通过优化其结构参数来降低滞环。通过实时测量超磁致伸缩棒上所绕线圈两端的感应电压和推导此感应电压与超磁致伸缩电—机转换器输出位移的关系,建立实时反映超磁致伸缩棒磁化状态的超磁致伸缩电—机转换器动态位移感知模型,并进一步推导出了超磁致伸缩电—机转换器输出位移的滞环与其结构参数的关系。通过与试验结果对比,当驱动频率小于300 Hz时,由所建模型计算出的位移峰—峰值的相对误差小于5.8%;通过仿真研究超磁致伸缩电—机转换器结构参数对输出位移滞环的影响,得出增加预压弹簧的刚度,可以降低动态驱动时的滞环。     

新型高效电磁作动器的研制及特性分析

研制了一种应用于发动机振动主动控制系统的新型高效电磁作动器。介绍了作动器的结构原理，对作动器的磁场进行了计算，利用Ansys软件对其弹簧刚度进行了分析。将作动器的力传递模型简化为单自由度振动系统，计算了作动器的作动力，通过Matlab仿真软件对其力传递特性进行了仿真分析。以正弦信号输入对作动器的作动特性进行了试验，结果表明，试验分析和仿真分析比较吻合，作动器作动力大，性能良好，可以很好地应用于发动机的振动主动控制。     

超磁致伸缩驱动器建模及其迟滞补偿

本文提出了用超磁致伸缩材料与压曲放大机构相结合构成微位移驱动器的方法,建立了超磁致伸缩执行器的控制系统传递函数模型。文中对所建立的系统进行了相频和幅频特性的理论分析和实验,合理地解释了此系统的迟滞曲线随输入信号频率变化的原因。为了进行迟滞非线性补偿,提出了相位补偿与迟滞逆模型相结合来补偿迟滞特性的控制方法。实验结果证明了系统理论模型的准确性和补偿控制方法的有效性。