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.     

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。     

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.     

超磁致伸缩谐波电动机的原理与特性

传统超磁致伸缩电动机利用动子与定子间的摩擦力直接驱动，电动机的传动精度和承载能力等受材料摩擦影响较大。将谐波传动技术应用于超磁致伸缩电动机中，研制新型超磁致伸缩谐波电动机将可以有效克服这些缺陷。文章在分析超磁致伸缩电动机的基础上，探讨了新型的超磁致伸缩谐波电动机的原理与特性。     

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。     

基于Matlab/Simulink研究电力系统的分叉与混沌现象

用一个简单系统来探索电力系统中的分叉和混沌现象。在建立系统的微分数学模型之后,在Matlab/Simulin环境下建立相应的仿真模型。通过改变控制参数的值,得到相应负荷电压的变化情况,证明了该系统中存在分叉现象。最后,假设控制参数一致而稍微改动系统的初始条件,发现其行为特性不一致,并得到完全不一样的结果。     

考虑附加涡流损失的超磁致伸缩执行器动态模型

超磁致伸缩执行器在高频下工作时,能量损失不仅包括磁滞损失、Terfenol-D棒涡流损失,还包括Terfenol-D棒附加涡流损失。该文考虑到执行器的惯性、阻尼、Terfenol-D棒涡流损失及附加涡流损失,建立了超磁致伸缩执行器的动态模型。其磁滞特性由Berqvist和Engdahl磁滞模型来描述,材料非线性由输入到模型静态实验数据体现。模型求解使用有限差分方法,在Matlab/Simulink中建立相应模型仿真结构框图。对执行器不同工作频率情况进行模型的仿真计算,并与实验结果对比,发现模型与实验吻合较好。表明所建立动态模型能较好地描述执行器输出位移与驱动电流之间的关系。该模型对优化设计超磁致伸缩执行器有指导意义。     

超磁致伸缩材料内部磁场特别及材料参数对其影响分析

基于麦克斯韦方程和压磁理论建立了超磁致伸缩材料棒内的磁场分布模型,导出了含有材料磁弹性参数的超磁致伸缩材料棒磁场分布函数,讨论了材料特性参数对材料内部磁场和材料内部涡流损耗的影响。结果表明,材料内部磁场不仅与外激励磁场有关,而且与材料的压磁系数、杨氏模量及相对磁导率有关,同时材料内部磁场与外激励磁场间具有滞回特性;考虑材料特性参数时材料内部的涡流损耗达到最大值所需的材料半径,将大于不考虑材料特性参数时的半径值,同时涡流损耗的变化趋势也将变得和缓,而不论材料参数如何变化,超磁致伸缩棒内磁能损耗的基本规律没有发生变化。     

超磁致伸缩换能器谐振频率自动跟踪方法

为了能有效地减小换能器的体积,实现同位控制及对换能器工作频率的自动调节,提高换能器的工作效率,提出了超磁致伸缩换能器的谐振频率自动跟踪方法。根据超磁致伸缩材料压磁方程,建立了超磁致伸缩换能器速度、阻抗及所受外力的自感知模型;分析了利用感知阻抗自动搜索谐振频率的工作原理,在无需安装检测谐振频率传感器的条件下,实现换能器谐振工作点的自感知,并能方便、快速地自动跟踪系统的谐振频率。在研制的实验装置上,比较分析了扫频方式和搜索感知阻抗方式跟踪谐振频率的一致性,验证了换能器谐振频率自动跟踪方法的可行性与正确性。     

超磁致伸缩超声换能器的结构与谐振频率分析

基于电路理论和系统动态方程提出了超磁致伸缩换能器的系统化整体结构设计方法。建立了超磁致伸缩超声换能器的有源元件Terfenol-D棒和各振动组件的机电等效电路，与电路理论相类比推导出谐振状态的频率方程，求解频率方程得出换能器各部分的结构尺寸。以这些尺寸为依据，用数值计算软件计算磁致伸缩棒中磁场分布情况：用有限元法建立了换能器的磁-机械耦合动态方程，结合磁场分布情况，求解动态方程得出谐振频率，与给定谐振频率对比并校核原结构设计，优化结构。     

高温超导励磁低温超磁致致动器优化设计

在研究低温超磁致材料(cryogenic giant magnetostric- tive materials,CGMM)磁-机-电的场强耦合特性和高温超导材料带(high temperature superconductor, HTS)各向异性的基础上,设计了高温超导励磁的低温超磁致致动器。结合有限元场耦合计算方法,利用遗传算法进行了优化计算,计算结果表明,可以找到一个最佳位置,在超磁致材料性能充分发挥的同时,使高温超导带的使用量最少。基于超导特性并结合CGMM耦合有限元分析模型的遗传算法以及CAD软件为以多场耦合转换材料为基础的微操作机构与器件的设计提供了有益的经验和可借鉴的方法。