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。     

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。     

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。     

高压断路器新型电机操动机构的动态特性分析

研究了两种高压断路器新型电机操动机构,设计分析了两种电机操动机构及其运动特性.根据40.5 kV户内真空断路器的操作特性要求,研究了永磁直线直流电机和有限转角永磁无刷直流电机操动机构.对两种电机的结构和特性参数进行的初步的设计,同时利用有限元方法对两种电机的基本特性和起动过程进行了动态特性仿真,得到了电机运行时的电磁推力、电流、速度等曲线.通过有限元的仿真结果的分析,一方面调整了电机设计参数,最终得到符合操作特性要求的电机操动机构;另一方面表明两种电机操动机构在起动性能、运行方式及机构的复杂性、控制方面等方面特点,为高压断路器采用电机操动机构提供了可靠的依据.     

便携式逆变器逆变控制驱动电路

介绍了一种小功率逆变电源电路的实现方法,对逆变电路、逆变控制电路和驱动电路进行了研究,该电路具有工作可靠、波形失真小的特点。     

Equivalent circuit model for electric double layer capacitors and its applications

For a better understanding and detailed analysis of the electric behavior of EDLCs, we present one dynamic equivalent circuit model and two static ones, each of which consists of a resistance and a capacitance varying with voltage. A dynamic model based on the differential capacity is used to simulate the discharging curves. Also, two static models based on the integral and the effective capacity are used to estimate the energy efficiency and constant current charging–discharging time. Owing to the same energy‐oriented approach as is used in defining the effective capacity, the static model based on this capacity shows its superiority in estimating the efficiency and capacitance over another static model based on the integral capacity. © 2012 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 180(4): 29–37, 2012; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.21300     

A novel voltage clamped snubber circuit topology suitable for a multilevel inverter with lowered power loss performance

This paper presents a novel prototype of lowered loss snubber circuit topology suitable for multilevel voltage source‐inverters and rectifiers for high‐power applications. The reduced power loss characteristics and voltage capability performances of the proposed voltage clamped snubber circuit are evaluated relative to conventional RCD snubber circuits designed for four‐level voltage‐source inverters using IGBTs on the basis of experimental results. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 150(3): 70–78, 2005; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20015     

负载波动下IGBT损坏分析及驱动电路优化设计

通过对变频控制系统的4种常用驱动电路的工作特点进行分析,并从维修的角度总结了这些驱动电路的工作可靠性,结论是可靠性比较高的变频器的驱动电路能有效地隔离输出级对控制级的影响并能有效地吸收栅极的各种干扰信号。对IGBT建立了工作模型进行分析,认为当电机负载波动时,冲击电压会在IGBT栅极产生振荡电压信号,该电压信号能使本该截止的IGBT导通,结果造成上下桥的IGBT直通,导致IGBT损坏;提出优化的IGBT驱动电路结构,设计了一种可靠的驱动电路方案,通过实际使用证明,该驱动电路具有结构简单、运行可靠等优点。     

有源配电网中的断路器应用研究

为解决有源网络的保护问题,对相关的断路器应用技术进行了研究。通过对电弧更有效的控制,实现直流断路器的开断能力与极性无关,使其满足光伏发电系统的保护需求。通过将真空灭弧技术与ACB操作机构相结合,提高断路器在AC690~1 140 V电压下的开断能力。通过对操作过程的有限元分析和优化设计,提高断路器的操作寿命,使其满足风力发电系统的保护需求。通过采用方向性的区域选择性联锁技术,解决了多电源系统中的选择性保护问题。运行经验表明,上述工作有效提高了有源网络运行的安全性。     

超声波电动机定子等效电路模型及驱动电路的阻抗匹配

从分析超声波电动机定子等效电路模型人手,考虑电机容性负载特性,对驱动电路进行了串联电感匹配,改善了驱动电源与电机之间的耦合程度,提高了驱动电源的输出效率,同时匹配电感后电压波形有了明显的改善,并通过实验测试了阻抗匹配的驱动效果,为进一步有效驱动控制超声波电动机提供可靠的依据.     

Magnetic circuit design method for magnetic force control systems using inverse magnetostrictive effect: Examination of energy conversion efficiency depending on ΔE effect

A new magnetic force control method using giant magnetostrictive material (GMM) was proposed and its feasibility was confirmed in earlier studies by the authors. This new method is based on the inverse magnetostrictive effect and the magnetic force is controlled by changing the stress or strain in the magnetostrictive material. This method is expected to have lower heat generation and higher energy conversion efficiency compared to traditional methods, since a constant magnetic force can be maintained by merely applying a constant stress. In this study, the energy conversion efficiency of this method is investigated experimentally using a universal test machine. The input elastic energy was calculated from the stress‐strain loading curve and the converted magnetic energy was estimated from the generated magnetic field. Since the elastic energy is strongly dependent on the history of the strain‐stress loading curve, and the loading curve is affected by the applied magnetic field in the magnetostrictive material, it is important to optimize the bias magnetic field for maximum energy conversion efficiency. The relationships between the elastic modulus and the magnetic field were measured experimentally and the results show that the bias magnetic field must be carefully chosen to obtain high efficiency of energy conversion. © 2002 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 140(1): 8–15, 2002; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.10026