超磁致伸缩执行器驱动磁场理论分析与实验研究

在分析超磁致伸缩材料的驱动原理和超磁致伸缩执行器结构的基础上,重点对执行器内部的驱动磁场进行了理论分析和实验研究,得出了超磁致伸缩执行器驱动电流与超磁致伸缩棒的驱动磁场之间存在一定的非线性和滞回的结论。并分析了其产生原因,为进一步提高超磁致伸缩搪行器的性能奠定了基础。     

超磁致伸缩超声换能器设计分析

基于超磁致伸缩材料设计了一种超声换能器,推导了超声振子的频率方程,并且用ANSYS有限元软件对换能器的关键部件进行了动力学分析,得到了关键部件的模态和谐响应特性,验证了设计方法的可行性.对振动系统进行了静态磁场和谐波磁场分析,结果表明:增加磁回路中导磁材料的磁导率可以增加超磁致伸缩棒的轴向磁场强度和磁场均匀度,但当材料的相对磁导率大于1 000时,轴向磁场强度和磁场均匀度的增加幅度逐渐趋于平衡;在高频激励下,超磁致伸缩棒呈现出了严重的电涡流效应,严重限制了其驱动性能,必须对超磁致伸缩棒进行处理.     

超磁致伸缩微致动器车削系统的动力学分析

考虑温度及预应力的影响,建立了应用于车削加工系统的超磁致伸缩微致动器动力学模型,并讨论了温度及预应力对其振动响应的影响.预应力对磁滞及理想磁化模型的超磁致伸缩微致动器模型输出位移的影响变化趋势相同,都出现"翻转"现象,在激励磁场小幅值范围内,系统的输出位移随着预应力的增加而减小,随着激励幅值的增加而增加;当激励磁场幅值较小时,温度对输出位移的影响较小,但是当激励磁场幅值较大时,输出位移随着温度的升高而明显减小.该结果对如何处理预应力、温度、超磁致伸缩材料的滞回的影响提供了理论依据.     

超磁致伸缩微位移执行器控制系统研究

以单片机和上位PC微机为控制核心,设计并构建了利用超磁致伸缩棒开发的超磁致伸缩执行器的计算机闭环控制系统,完成了相应的软硬件设计．结合所开发的超磁致伸缩微位移执行器的结构建立了传递函数模型,针对微位移执行器控制系统进行了数字PID控制器设计,通过实验得出,在不降低其相对稳定性情况下数字控制系统的精度提高,为进一步提高超磁致伸缩执行器的精度、改善整个系统的动态特性奠定了基础．     

Terfenol-D力—磁—热耦合动态特性

对超磁致伸缩棒材(Terfenol-D)在预压力、环境温度、交变磁场耦合作用下的磁致伸缩动态特性进行了比较全面的实验研究.给出了Terfenol-D动态响应磁致回线、动态应变、响应波形相位随着激励频率、预压力、环境温度、偏磁场的变化规律,找出了两个不同的共振频率,并发现了高阶共振频率随偏磁场发生"漂移"的现象,印证了磁场作用下Terfenol-D材料所特有的△E效应的存在.     

大负载精密驱动超磁致伸缩直线电机动力学建模与仿真

基于一种新型的精密大负载超磁致伸缩直线电机进行了整机动力学建模和仿真,尝试分析巨磁致伸缩直线电机的频率特性和负载特性,提供了一种对于尺蠖运动超磁致伸缩直线电机进行整机建模和性能分析的有效方法. 在建模过程中,采用Jiles Atherton磁滞模型以补偿磁滞回对直线电机输出的影响,并提出了直线电机驱动大负载时的滚动摩擦修正. 通过建模与仿真,验证了直线电机结构设计方案的可行性. 仿真和实验对比结果表明,该动力学模型实现了超磁致伸缩直线电机的变激励、变负载运动的准确模拟.     

超磁致伸缩驱动微定位平台的动态特性研究

针对超磁致伸缩驱动器(Giant Magnetostrictive Actuator,简称 GMA)磁滞非线性和动态特性难以精确描述的问题,以基于GMA的二自由度精密微定位平台为对象,对其进行磁滞非线性和动力学建模并仿真分析。根据Jiles-Atherton磁滞模型、磁致伸缩模型、磁滞非线性圧磁方程和驱动器的结构动力学原理,建立了组合的微定位平台磁滞非线性动态模型;通过模型计算出输出位移的大小;另外对四种数学模型进行动态特性仿真分析。研究结果表明:仿真位移曲线与实验测得输出位移曲线基本一致,验证了所建模型的正确性;且优化了系统的设计参数,对改善GMA的动态性能和稳态输出性能提供了依据。     

超磁致伸缩驱动微泵的磁场优化分析与实验验证

为使超磁致伸缩驱动微泵中超磁致伸缩材料(GMM)棒获得最佳的磁致伸缩性能,在ANSYS Maxwell软件中建立双线圈式驱动磁场、外线圈内永磁体式驱动磁场、内线圈外永磁体式驱动磁场模型,进行仿真分析,得到三种情况下微泵轴线上平均磁场强度和磁场均匀度,并通过试验验证优选结构的磁场强度和均匀度。结果表明:外线圈长度L_(q1)=104 mm,厚度d_(q1)=12.5 mm;内线圈长度L_(q2)=104 mm,厚度d_(q2)=12.5 mm的双线圈式驱动磁场相对于外线圈内永磁体式和内线圈外永磁体式平均磁场强度提高了117%和8.6%,磁场均匀度下降4%。试验结果与仿真结果基本吻合,验证了仿真模型的正确性。     

预应力条件下超磁致伸缩材料的温度敏感性分析

超磁滞伸缩材料Terfenol-D具有应力温度敏感特性,通过循环油浴加热的实验方法,测量超磁致伸缩材料在力热磁耦合下的磁滞回线,发现预应力的增加有效降低了温度对材料低磁场性能的影响,材料显示出了良好的低磁场下的温度稳定性能.试件在高应力120 MPa,在磁场300 kA/m下的磁化强度出现了先增大后减小的现象,磁化衰减幅度得到减弱.     

考虑介电常数影响的GMA内部磁场特性分析

以Maxwell’s方程为基础,结合超磁致伸缩材料压磁方程,建立了考虑介电常数、预压应力等参数的超磁致伸缩材料内部磁场径向分布模型,并对其进行了理论分析和数值仿真.讨论了介电常数、预压应力、激励频率等参数对材料内部磁场分布及滞回特性的影响.结果表明,超磁致伸缩材料径向内部磁场分布具有明显的集肤效应和滞回特性;受电导率与介电常数共同影响,材料的磁场分布出现了双峰现象;沿磁致伸缩材料半径增大方向,外激励磁场与材料内部磁场的滞回特性逐渐减弱,磁场损耗随之降低;随着预压应力的增大,材料内部的集肤效应逐渐减小.     

基于超磁致伸缩材料的驱动器设计及磁场仿真

基于超磁致伸缩材料的工作原理,设计了具有微位移可控特性的驱动器。为了探究驱动器内部磁场设计的合理性以及超磁致伸缩驱动器的磁感应强度与激励电流之间的关系,应用ANSYS有限元分析软件对超磁致伸缩驱动器的内部磁场进行仿真。研究结果表明,超磁致伸缩驱动器磁场设计合理;随着电流的增大,超磁致伸缩材料中的磁感应强度也随之增加并且磁感应强度逐渐趋于饱和。     

基于超磁致伸缩材料的谐波驱动器结构与磁场优化设计

基于超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material,GMM)正逆耦合效应以及能量转换特性,提出一种集驱动、传动及传感于一体的新型自感知谐波驱动器构想.利用ANSYS分析谐波减速器运行过程中波发生器应力分布情况,结合波发生器尺寸结构求解GMM棒的尺寸参数.基于毕奥萨伐尔定律推导驱动线圈内部磁场求解方法并设计驱动磁场和偏置磁场布置方式.利用COMSOL Multiphysics建立驱动器电磁机三场耦合模型,分析在不同条件下驱动线圈内部磁场分布情况以及驱动器的位移输出特性.结果表明:在永磁体总长度不变情况下,对永磁体实行内置均匀布置,随着永磁体片数逐渐增加,磁场均匀度从44％降低到26％,输出最大位移从0.123 mm下降到0.114 mm,GMM棒应力分布均匀度显著提高.     

超磁致伸缩力传感器及其实验研究

基于磁致伸缩逆效应原理,以超磁致伸缩棒为敏感元件研究了一种具有高灵敏度的新型超磁致伸缩力传感器,通过集成在结构内部的霍尔传感器测量磁通密度来实现静态力的测量.同时,为了提高传感器的测量灵敏度,提出了一种安装在霍尔传感器周围的不锈钢钢环的特殊结构.给出了超磁致伸缩力传感器的测量原理和设计过程,并通过实验研究确定了偏置磁场、预紧力和超磁致伸缩棒的尺寸等因素对传感器输出特性的影响规律,分别得到了传感器工作的最佳偏置磁场和预紧力,为超磁致伸缩力传感器的深入研究和精确控制提供了一种技术途径.     

超磁机器鱼游动数值模拟及其控制

针对管道中微小型机器人的研究和开发,提出一种利用外磁场驱动起小型机器鱼的研究方法.采用合金薄板模拟鱼尾骨架,贴在该薄板的超磁致伸缩材料模拟鱼体肌肉,建立了该问题的力学模型.通过研究机器鱼的游动机理,设计了一种机器鱼的超磁动力驱动器(GMMA).利用调整外界磁场频率,实现神经模拟以控制鱼尾摆动,即机器鱼的游动.结果表明,鱼尾摆动平均驱动力的大小取决于鱼尾的材料参数、几何参数和外磁场频率.特别是当外磁场频率接近系统固有频率时,该驱动力相对较大,该结论可作为鱼尾设计和控制的主要思路和依据.     

超磁致伸缩材料内部磁场与涡流损耗理论分析

在对纵向激励磁场中超磁致伸缩材料进行分析的基础上,利用Maxwell's方程建立了用Bessel函数描述的超磁致伸缩材料内部磁场分布函数,由Bessel函数解析方法确立了超磁致伸缩材料内部磁场Kelvin表达式.通过对材料内部磁场分布的定性分析,得出内部磁场具有典型滞回特性.利用磁能理论对材料内部涡流损耗进行了初步理论分析,得出由Kelvin函数表示的材料内部涡流损耗表达式.并对激励频率、电导率、材料半径等因素对涡流损耗的影响进行了初步讨论,为超磁致伸缩材料参数的选取奠定了基础.     

微振动控制中超磁致伸缩作动器的设计与分析

针对微振动控制中对作动器的要求,基于超磁致伸缩材料的特性对作动器进行了优化设计,通过对其进行磁路分析、热效应分析,验证了设计的合理性;针对超磁致伸缩材料的非线性性能,利用实验测量的主迟滞回线和一阶折返曲线数据点建立Preisach模型,采用输入校正迭代算法对非线性进行补偿,然后对作动器进行精密定位控制实验.实验结果表明...     

超磁化条件下超磁致伸缩作动器迟滞现象研究

论述了超磁致伸缩材料的主要物理特性,通过对其迟滞现象的实验观测,指出迟滞现象对超磁致伸缩作动器的精确控制造成的影响.提出了超磁化的方法对迟滞现象进行改善,并通过实验进行了验证,最后从理论上对其有效性做了分析论述.研究表明：采用超磁化后,作动器的力-磁耦合关系更明确,对作动器的控制效果更好.