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。     

稀土超磁致伸缩电机及其应用

稀土超磁致伸缩电机在大应变、强力和高功率密度及高精度、快速响应以及高可靠性等方面有着其它电机无法比拟的优点。介绍了这种电机的结构原理、性能特点及其典型应用事例。文中还就稀土超磁致伸缩材料及其驱动器件的市场应用前景进行了展望。     

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。     

薄膜磁致伸缩系数λs的简易测量

介绍了一种简便易行的薄膜磁致伸缩系数λｓ的测量方法，为研究和制备优良的磁性薄膜提供了条件。     

磁致伸缩力矩激励器的磁偏置和内部磁路分析

通过对磁致伸缩力矩激励器的磁偏置和内部磁场的分析,研究了大、中、小型力矩激励器在磁偏置和内部磁路上的优点和缺点,并在此基础工了一种新型的大型力矩激励器。     

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.     

磁头用软磁Fe-Co-Al-O薄膜的结构和性能

用射频磁控溅射方法制备了记录磁头用FeCoAlO薄膜软磁材料,与FeCo合金薄膜相比,FeCoAlO薄膜的软磁性能有明显改善.(Fe72Co28)100-x(Al2O3)x薄膜的饱和磁感应强度Bs在x=3.1～5.9范围内基本保持恒定,当x>5.9时,饱和磁感应强度急剧降低;其矫顽力随Al2O3含量的增加迅速降低.当Al2O3含量为5.9时,薄膜的矫顽力由未加Al2O3时的3580A/m下降到Hce≈418A/m,Hch≈289A/m,饱和磁感应强度Bs=2.15T;薄膜还表现出良好的高频特性,当频率f≤1.0GHz时,磁导率μ≈500.结构分析表明,薄膜中软磁性能的改善和添加Al2O3导致的晶粒细化有关.     

超磁致伸缩自感知执行器的理论与实验研究

对自感知的两种实现方法：电桥电路解耦与观测器解耦法,分别进行仿真并对观测器法进行实验验证。电桥电路仿真加入非线性模型,并对桥路输出信号进行放大滤波,为实验提供理论依据。观测器通过实验与观测计算对比验证了基于观测器自感知的可行性。     

薄膜磁致伸缩系数计算机辅助测试系统的设计

采用激光光杠杆放大的方法,利用位置敏感传感器(PSD)探测激光光点的位移,通过AD转换,由计算机EPP接口对数据进行采集,并利用C 开发了基于WINDOWS平台的数据采集处理可视化界面,设计实现了对悬臂梁微挠度的测量,最终得到薄膜磁致伸缩系数λ的可视化计算机辅助测试系统.     

基于动态递归神经网络的超磁致伸缩驱动器精密位移控制

由于内在的滞回非线性，超磁致伸缩驱动器（GMA） 会在开环系统中引起定位误差，在闭环系统中造成系统不稳定。为了克服这个问题，将动态递归神经网络（DRNN）前馈和PD反馈控制器相结合，提出了一种实时滞回补偿控制策略，以期实现GMA的精密位移跟踪控制。DRNN控制器是根据GMA的滞回特性构造的，通过反馈误差学习方案在线学习GMA的逆滞回模型。仿真结果表明该控制策略能适应GMA滞回特性随机械负载、输入信号的变化，在线建立GMA的滞回逆模型，从而消除滞回非线性的影响，实现GMA的精密控制。     

Water-Immersible Micromachined Pb(Zr, Ti)O3 Thin Film Actuators

We demonstrate a water-immersible thin film lead zirconate titanate, Pb(Zr, Ti)O₃, [PZT] actuator, without special passivation layer, towards in-vivo or in-vitro scanning probe microscope (SPM) measurements of living cells in water or biological fluids. In order to be water-immersible, the electrodes need to be electrically insulated and the piezoelectric layer needs to be protected against direct water contact. This paper describes our design solution with a simple fabrication process for a water-immersible piezoelectric device, which separates the bottom electrode from the top electrode by having a narrow ditch covered with PZT film. The PZT film is then encapsulated with the top metal electrode without insulation layer. In this structure, the PZT is sandwiched between the top and bottom metal electrodes to prevent water permeation. The device is fabricated using lift-off processing for the bottom and top electrodes, sol-gel spinning for the PZT thin film and wet etching for the PZT patterning. The piezoelectric constant, d₃₁, is about –100 pC/N. The dielectric polarization and fatigue properties of the devices were measured in air and water. The spontaneous polarization, remnant polarization, coercive field and dielectric constant are 54 C/cm², 15 C/cm², 60 kV/cm and 1200, respectively. The polarization property of the device was unchanged in either air or water up to 1 × 10⁹ continuous cycles.     

无网格伽辽金法及其在电磁场数值计算中的应用

将无网格伽辽金法推广应用于电磁场的数值计算。详细论述了移动最小二乘近似的基本原理和具体实施过程，采用罚因子法处理第一类边界条件。基于修正的弱形式泛函的建立，导出了算法的离散模型。为验证所述的模型和方法，给出了数学验证和计算实例。     

永磁机构磁路分段图示法求解

考虑到磁性材料的非线性特点,在计算磁路时往往比较复杂。目前求解磁路的主要方法有:解析法、图解法、数值计算法。针对永磁机构设计中提出的问题,建立了分段法分析铁心磁路的模型,结合Office Excel中的曲线拟合功能,利用图示法快速直观的求解磁路。得出了永磁机构铁心各部分的尺寸和磁场状态,为永磁机构磁路设计提供了依据。实验结果表明,利用此种方法不仅简化了求解过程,大大的加快了求解速度,而且可以直观的反应求解过程,便于进一步分析和优化磁路。     

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.