超磁致伸缩换能器的建模方法

超磁致伸缩换能器工作的同时受到机械力场和电磁场的双重作用,特性必然受机械结构参数和电源特性的双重影响,为寻找最佳的机械结构参数和电源特性参数,必须建模研究。本文讨论了超磁致伸缩换能器的建模方法,为换能器的设计、研究提供借鉴。     

超磁致伸缩换能器动态特性研究的建模方法

概述超磁致伸缩换能器的结构、工作原理以及动态特性的建模方法,并结合白行研制的换能器建立起仿真模型,有利于指导换能器的设计研究。     

超磁致伸缩换能器预应力优化设计方法研究

为优化超磁致伸缩换能器的工作性能、提高输出振幅,基于预应力对磁致伸缩效应的作用机理,建立了饱和磁致伸缩系数与预应力的关系模型。提出磁致伸缩灵敏度的概念,建立其与预应力和外磁场强度之间关系的理论模型。以超声换能器输出振幅最大为目标,提出以磁致伸缩平均灵敏度最大为准则的最佳预应力值确定方法。实验结果表明:随着预应力的增大,磁致伸缩平均灵敏度存在极大值,该预应力可在一定驱动磁场强度下获得最大的超声振幅,由此验证了磁致伸缩灵敏度模型的正确性和最佳预应力确定方法的可行性。提出的最佳预应力模型对超磁致伸缩换能器设计中预应力的选择具有指导意义,有助于大振幅超磁致伸缩换能器的设计及应用。     

超磁致伸缩材料驱动器的数学模型

本文从有助于理解压磁效应的角度,建立了超磁致伸缩驱动器（GMA）的静态力、位移模型。作出了几个有利于指导设计的推论,并对设计中的一些问题做了定性讨论。动态建模时,在Bryant and Wang所建模型的基础上,作了一些重要改进。首次提出了采用磁通反馈的动态模型,解决了将电感作为常量而出现的建模失真问题。     

超磁致伸缩功率超声换能器振动系统分析

稀土超磁致伸缩材料（GMM）是近年来发展起来的一种新型功能材料,具有磁致伸缩应变大、磁机耦合系数高、响应速度快、能量密度高等优异特性,已在机电领域显示出良好的应用前景。介绍了超磁致伸缩功率超声换能器的结构以及工作原理,利用有限元方法建立了换能器的振动模型,并推导出换能器的谐振频率表达式,其数学模型与ANSYS仿真表明所建立的仿真模型可以反映出换能器结构与谐振频率之间的关系。结果表明该方法是可行的,开辟了求解磁致伸缩问题的新思路。     

低频大功率超磁致伸缩换能器的热磁设计研究

针对影响低频大功率超磁致伸缩(GMM)换能器性能的励磁线圈进行设计分析,对作为换能器主要热源的激励线圈设计了几种散热方案.各种方案的实验对比表明,采用适当的线圈设计参数和散热方案,能有效提高激励线圈的电磁转换效率,增加换能器的最大工作电流,从而充分利用大功率换能器中GMM的潜在性能空间.     

指数形超磁致伸缩换能器变幅杆设计

采用超磁致伸缩材料Terfenol-D作为换能器中致动元件,将在一定预压应力下处于阶跃段的磁致伸缩棒简化为磁场强度与磁致伸缩应变的单输入单输出的线性系统。以静态试验数据为基础,建立等效的动态磁致伸缩模型。对指数形变幅杆的设计进行了理论分析和讨论,着重计算与设计了相关的振速分布、应力分布、振幅放大系数以及节面位置等参数,为实际产品设计和制造提供了理论基础和参照标准。     

圆锥形超磁致伸缩换能器变幅杆的设计

主要对磁致伸缩换能器的圆锥形变幅杆进行力学分析和讨论 ,以磁致伸缩换能器变幅杆设计理论为基础 ,设计并计算了圆锥形变幅杆谐振条件要求的尺寸参数关系 ,不同尺寸情况下的振幅放大系数、振速分布函数、应力分布函数及节面位置等 ,并导出了圆锥形变幅杆的频率方程 ,为实际开发超磁致伸缩换能器产品提供了设计依据。     

超磁致伸缩换能器驱动磁场均匀性的研究

给出超磁致伸缩换能器驱动磁场均匀性概念后,论述了超磁致伸缩换能器驱动磁场宜用电磁感应强度表示。建立了ANSYS2D有限元模型,分析了超磁致伸缩棒、线圈长度、磁路闭合与否、补偿线圈等对磁场均匀性的影响,得出了明确的结论。该分析结果已经用于指导超磁致伸缩换能器的设计,取得良好的效果。     

超磁致伸缩功率超声换能器的振动分析

基于电磁原理和弹性体振动理论,分析了超磁致伸缩功率超声换能器的工作原理;研究了超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material,简称GMM)在外磁场驱动下的非线性动态特性;推导出Terfenol-D棒的波动方程和波动方程稳态解的表达式.用MATLAB 7.0软件对该理论分析结果进行仿真,并进行了相应试验验证.     

Jiles-Atherton模型的超磁致 伸缩驱动器磁滞补偿控制

研究了磁滞补偿控制的方法,建立了基于Jiles-Atherton模型的磁滞补偿控制系统。介绍了Jiles-Atherton磁滞模型的主要思想及其主要参数,对该模型反向运动时磁化强度变化与磁场强度变化的对应关系进行了分析,并在此基础上,提出了利用磁滞环的宽度,通过重新给定反向起始点的迭代初值,实现磁滞补偿的方法。实验结果表明:对于阶跃响应,采用磁滞补偿时没有延迟,且达到稳态时间比不进行磁滞补偿时缩短12 ms;对于正弦响应,采用磁滞补偿时没有延迟,且均方误差比不进行磁滞补偿时提高了0.19 μm,能有效消除磁滞的影响,提高定位精度。     

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.     

用于异形孔精密加工的超磁致伸缩构件的线性化迟滞建模

根据超磁致伸缩构件精密加工异形孔刀具轨迹的特点,采用纯延时环节串联线性化模型,建立其在高频驱动下驱动电流与输出微位移的迟滞非线性动态模型.通过一定频率下驱动电流与输出位移的相关辨识,获得系统纯延时环节的补偿参数,并建立了驱动电流与无相位差输出位移的线性化模型.当实时控制时,通过迟滞非线性模型的直接逆模型补偿,使位移输出与异形孔的理想刀具轨迹一致.实验验证表明,直接逆模型的最大开环控制误差为2.7 μm,最大相对误差为10％.进一步对构件进行微位移反馈闭环控制,实验误差最大值为1.2 μm,最大相对误差为7％,提高了系统的控制精度.     

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。     

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。     

叠堆式超磁致伸缩致动器磁场分布建模及分析

为提高超磁致伸缩致动器(GMA)偏置磁场的均匀度,设计了叠堆式超磁致伸缩致动器(SGMA),建立了SGMA的磁场分布模型,并对模型进行分析研究。首先,通过分析传统GMA偏磁施加方式的特点和不足,采用永磁体和GMM棒交替排布的结构形式,设计了SGMA;然后,将磁路模型和毕奥-萨伐尔定律相结合,建立了能够准确描述SGMA磁场特点的磁场分布模型;接着,利用所建立磁场分布模型分析了不同参数对SGMA磁场分布特征的影响,提出了SGMA结构设计方法;最后,通过实验完成了模型验证。结果表明:采用本文建立的模型描述SGMA磁场分布时,最大相对误差低于4%;在预测SGMA的输出位移时,最大相对误差低于5%。该模型有助于准确刻画SGMA的工作状态,提高SGMA的系统精度,并为SGMA结构设计提供参考依据。     

切削加工过程动态模型的研究

文中总结了建立切削过程动态模型常用的方法 ,即分析方法、实验方法与机械建模方法。叙述了应用机械建模方法研究动态加工过程的作用与意义 ,最后分析了切削过程建模今后的发展前景。     

Geometrical nonlinear deformation model and its experimental study on bimorph giant magnetostrictive thin film

The geometrical nonlinearity of a giant magnetostrictive thin film (GMF) can be clearly detected under the magnetostriction effect. Thus, using geometrical linear elastic theory to describe the strain, stress, and constitutive relationship of GMF is inaccurate. According to nonlinear elastic theory, a nonlinear deformation model of the bimorph GMF is established based on assumptions that the magnetostriction effect is equivalent to the effect of body force loaded on theGMF.With Taylor seriesmethod, the numerical solution is deduced. Experiments on TbDyFe/Polyimide (PI)/SmFe and TbDyFe/Cu/SmFe are then conducted to verify the proposed model, respectively. Results indicate that the nonlinear deflection curve model is in good conformity with the experimental data. __________ Translated from Journal of Dalian University of Technology, 2007, 47(1): 34–38 [译自: 大连理工大学学报]