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。     

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.     

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。     

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。     

超磁致伸缩薄膜致动器磁-机械特性研究

超磁致伸缩材料以其高能量输出、高操作频率、远程非接触式控制等特点广泛应用于各种微机械系统中.建立了超磁致伸缩薄膜型致动器的磁-机械强耦合模型,并且进行了理论及数值推导.薄膜尺寸只有几微米,有限元方法在进行单元剖分时会产生严重的网络变形,从而降低计算精度.提出采用无单元Galerkin方法来进行数值计算,比较了计算值和实验值,吻合情况较好.     

基于位移传递机构的超磁致伸缩致动器径向磁场仿真分析

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径向磁场分布,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。通过仿真得到棒和筒上任一点磁场强度值,选取多个截面的磁场强度进行平均计算,得到近输出端、近底座端和中间部位三处不同位置的磁场径向分布规律及位移传递机构相对磁导率对它的影响。研究结果对于位移传递机构材料选择具有重要的意义。     

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。