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。     

超磁致伸缩致动器中偏置磁场的有限元模拟

用Ansoft软件对超磁致伸缩致动器中的偏置磁场进行研究,主要分析四种磁路结构的磁场均匀性及磁场强度,为器件设计提供依据。结果表明,两层及三层圆盘状永磁体施加偏场的均匀性一般,磁场强度变化范围分别为10~12kA/m、15~25kA/m;增加线圈后均匀性降低,但磁场强度分别增加到23~27kA/m、35~65kA/m。圆桶状永磁体施加偏场的均匀性最好,磁场强度变化范围50.7~50.9kA/m。双层圆环状结构可以提供稍高的磁场强度,磁场强度变化范围50~52kA/m。     

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.     

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。     

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。     

超磁致伸缩致动器功率驱动器设计

针对超磁致伸缩致动器现有功率驱动器存在损耗大、发热大、效率低、功率小等不足,为满足超精密场合以及宽范围调整的要求,分析基于PWM逆变器设计的超磁致伸缩致动器功率驱动器的特性,提出采用模块化分层设计建模原理对各单元分别设计并建立模型的方案,在此基础上将各单元串联,设计超磁致伸缩致动器功率驱动器并建立其模型。通过仿真分析及实验,验证该驱动器设计方案的正确性,以及模型分析对超磁致伸缩致动器控制系统设计的指导作用。     

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。     

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.     

超磁致伸缩致动器的等效电路研究及驱动波形设计

针对超磁致伸缩致动器由于大电感线圈的存在而使电流上升时间较长,以致于无法满足快速开启需求的问题,分析了致动器等效电路以计算精确的线圈电流,并设计了较为合理的驱动电压波形。从对致动器阻抗的描述精度出发考察3种等效电路,确定了带并联电阻的等效形式最为合理;分析计算了该种等效形式下方波电流输入时的电流表达式,得到不同频率下致动器电流瞬时响应,并通过实验测试了致动器阻抗以及电流瞬时值以验证等效电路的准确性。最后基于该等效电路,借鉴电磁阀的大电压开启方法,分析了合理的电压形式并提出了参数设计方案,计算结果表明,设计电压能在保证较小超调量的同时有效地降低电流调整时间。     

超磁致伸缩致动器系统时滞模型辨识与控制

针对超磁致伸缩致动器模型建立和精确位移控制存在的不足,推导了超磁致伸缩致动器系统带有时滞特性的线性化模型,把Levy法和遗传算法相结合,对推导的模型进行了辨识,通过开环实验验证了模型的准确性和稳定性;针对致动器系统准静态控制,提出了一种基于单纯形法的PID控制参数两步整定法。实验结果表明,利用该方法设计的PID控制器相对于传统PID控制,系统的超调量降低了17.69%,调节时间缩短了4ms,验证了控制器的精度和稳定性。     

超磁致伸缩作动器的分岔和混沌行为

混沌和拟周期运动是两种不稳定的响应,为研究超磁致伸缩作动器的这些不稳定行为,建立了其非线性动态力学模型,用数值方法得到了反映系统非线性响应特性的分岔图、相图、Poincaré截面图、幅值谱等。分析结果表明：阻尼系数的增加,有助于系统输出的稳定;系统刚度过低,会导致混沌现象的出现;激励电流的角频率对系统的响应特性有很大的影响。     

轴向磁场分布对磁致伸缩驱动器磁滞特性的影响

稀土超磁致伸缩材料(GMM)具有磁滞非线性,严重影响超磁致伸缩致动器(GMA)的控制精度。为探讨轴向磁场分布对GMA磁滞特性的影响,确定了通过改变驱动线圈形状的方法来获得GMA不同的轴向磁场分布。基于材料自由能磁滞模型,建立了GMA磁滞非线性耦合模型,并给出了GMA磁滞回线计算方法。分析了四种典型形状的驱动线圈所对应的GMA的磁滞特性,结果表明轴向磁场分布对GMA磁滞特性具有重要影响,其中阶梯型和凹型线圈对应的GMA的最大磁滞较小。     

稀土超磁致伸缩棒材特性测试平台优化与实验研究

目前,国内外对稀土超磁致伸缩棒材(简称棒材)参数的测量和提取方法不尽相同,且大都没有考虑测试过程中由于棒材伸长导致的预应力变化问题,测量结果无法直接对比,误差无法确定,准确性无从考量.因此,换能器仿真设计没有可靠的特性数据做支撑.该文设计搭建一套稀土超磁致伸缩棒材特性测试平台,考虑由于棒材伸长导致预应力变化的因素,可对...     

RE-GMSM致动器精密位移的有限元分析

用ANSYS有限元软件分析了RE-GMSM(Rear Earth-Giant Magneto Strictive Materials稀土超磁致伸缩材料)致动器励磁线圈产生的磁场、磁通,模拟分析了磁回路中可能由气隙产生的对磁通的影响,从而获得了精确求取致动器输出位移的一种方法,得出了RE-GMSM致动器线圈及磁回路设计的一般方法。RE-GMSM棒伸缩率与其上压应力有关,工作所需的预压力一般由弹簧施加,本文介绍了一种预压力施加结构,并给出了用MATLAB语言编写的RE-GMSM棒压应力计算程序。作为RE-GMSM致动器应用例,设计了用RE-GMSM致动器驱动的高速开关阀,并用Inventor软件作图对其结构作了简介。     

隔振与能量收集双功能超磁致伸缩驱动器性能仿真分析

基于超磁致伸缩材料具有抗压能力强、机电耦合系数高、响应速度快等优点,将超磁致伸缩驱动器简化为弹簧-阻尼-质量系统并应用于隔振系统中,通过理论计算推导出力传递系数,仿真发现该系统在外激励频率高于141 Hz时具有隔振作用.在此隔振系统的基础上,通过法拉第电磁感应定律研究系统的振动能量回收问题,结果表明,外激励力的大小与频...     

磁致伸缩位移传感器电路系统的设计

为了实现磁致伸缩位移传感器的低成本化,提出了一种基于MSP430单片机的电路方案,分析设计了脉冲功率放大、信号放大与整形、时间测量、传感器输出接口等电路模块。磁致伸缩效应的特性,以及高精度时问测量电子电路的实现,保证了传感器的测量精度。电路系统各部分信号的实验波形和测试数据表明,传感器具有较高的整体性能,为传感器的低成本产品化生产奠定了基础。