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。     

超磁致伸缩作动器的磁路优化设计与有限元分析

超磁致伸缩作动器(giant magnetostrictive actuator,简称GMA)是一种新型的振动控制驱动器件,但由于其内部磁路复杂,GMA内部磁路中磁感应强度的大小和均匀性会严重影响作动器的工作性能。为解决上述问题,基于静态条件下线性磁致伸缩理论和电磁学原理,采用有限元软件ANSYS对GMA建立有限元模型,系统性地研究了激励线圈、导磁体和导磁内壁所用材料的参数等对磁感应强度的影响。同时,提出以GMM棒中减小磁漏、增大磁感应强度和提高磁感应强度的均匀性为设计原则,将超磁致伸缩棒轴向中心线处磁感应强度的大小和均匀度作为评价标准。对开闭磁路、激励线圈的轴向长度、材料的磁导率、空气间隙和导磁体的半径等参数进行优化设计。研究结果表明,当采用闭合磁路时,磁感应强度的大小和均匀度均得到了很大的提高;并通过磁路优化后,磁感应强的大小增大了0.1 T,均匀度提升了10.27%。     

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。     

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。     

基于实验的超磁致伸缩微致动器动力学特性分析

基于超磁致伸缩微致动器实验所得的激励电流-磁致伸缩材料轴向位置-磁场强度三者之间的关系式,修正了厚壁线圈轴向电流-磁场理论公式.利用修正公式对超磁致伸缩微致动器动力学模型进行理论分析,得到了微致动器的振动响应;分析了修正系数、偏置磁场及预压应力对微致动器的影响.结果表明:修正系数对微致动器动力学特性影响十分明显,当修正系数K′=1.24时,基于实验拟合函数与基于厚壁线圈电流-磁场理论公式所得到的微致动器的输出位移与输入激励电流之间的滞回环完全吻合;微致动器振动响应具有明显的非线性特性,而且修正系数对其影响很大.偏置磁场与预压应力对微致动器的幅频特性影响也十分明显.     

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.     

超磁致伸缩材料换能器的实验研究

采用超磁致伸缩材料 Terfenol—D 作为换能器中制动元件,将在一定预压应力下处于阶跃段的磁致伸缩棒简化为磁场强度与磁致伸缩应变的单输入单输出的线性系统。以静态试验数据为基础,建立等效的动态磁致伸缩模型,对自行设计的超磁致伸缩大功率换能器进行了试验研究,该装置具有功率大、适用频带宽、峰值尖锐余振小等特点,为实际开发换能器产品提供了设计依据。     

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.     

矩形超磁致伸缩材料板内涡流密度的分布

导体在变化的磁场中会产生涡流而引起涡流损耗,为降低涡流损耗的影响,需要对导体中的磁场及涡流进行研究.在给出的垂直于激励磁场的超磁致伸缩材料矩形板内部磁场强度方程的基础上,利用此方程的求解结果,计算得到了由二重Fourier级数表示的材料内部涡流密度的分布函数及整个板内每秒的涡流损耗,数值模拟了板内涡流的分布形式.进一步地,分别考虑了外激励频率,材料的电导率与相对磁导率对涡流的影响.随外激励频率、材料的电导率及相对磁导率的增大,板内涡流密度随之都增大.     

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.     

超磁致伸缩换能器的声辐射特性

对超磁致伸缩大功率换能器的声辐射振动特性进行了理论分析与实验研究,将在一定预压应力下处于阶跃段的磁致伸缩棒简化为磁场强度与磁致伸缩应变的单输入单输出的线性系统·以静态试验数据为基础,建立等效的动态磁致伸缩模型·对指数形变幅杆的设计进行了理论分析和讨论,着重计算与设计了相关的振速分布、应力分布、振幅放大系数及节面位置等参数,测试中发现超磁致伸缩换能器频率范围较宽·试验得到了影响换能器发射声波主频率和最大振幅的若干参数·提高换能器的电声转换效率,增大换能器的发射功率的有效途径是选择合理辐射面质量和配重质量之间的比值,使能量流向辐射面一侧·所得结果可以为进一步优化超磁致伸缩换能器提供设计参考·     

超磁致伸缩材料的特性参数测量

超磁致伸缩材料（GMM）是一种新型的功能材料,其磁致伸缩系数与磁场强度、温度、压力等有关。以超磁致伸缩高速响应电磁阀的研究为背景,介绍超磁致伸缩材料特性参数的测量方法,及适用于超磁致伸缩材料特性参数测量的测试装置。     

超磁致伸缩材料的特性参数测量

超磁致伸缩材料（GMM）是一种新型的功能材料,其磁致伸缩系数与磁场强度、温度、压力等有关。以超磁致伸缩高速响应电磁阀的研究为背景,介绍超磁致伸缩材料特性参数的测量方法,及适用于超磁致伸缩材料特性参数测量的测试装置。     

新型磁电复合材料传感器的理论分析

设计了巨磁致伸缩材料（Terfenol-D）／锆钛酸铅（PZT）／巨磁致伸缩材料（Terfenol-D）三层磁电材料L-T模型传感器，利用所设计的磁电传感器，可以精密测试磁场强度。采用等效电路法对复合材料的磁电电压系数进行理论分析与计算，表明所设计的传感器具有很高的磁场测量精度，建立的方程对磁电传感器的设计具有指导作用。     

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.     

超磁致伸缩换能器几何非线性特性分析

针对超磁致伸缩材料存在的换能器碟簧非线性刚度特性,建立了具有碟簧刚度的平方和立方非线性特性的超磁致伸缩换能器复合非线性数学模型.应用多尺度法得到了超磁致伸缩换能器几何非线性振动系统响应的解析解和频响特性表达式.计算了其有无切削力两种情况下的数值解和解析解,并分析比较了其数值解和解析解的时域波形,同时得出了实际磁性参数下的频响关系曲线,分析了外界激励f值、压磁系数d33和磁导率μ3T3对频响关系式的影响.结果表明:数值解和解析解的时域波形基本一致,满足实际要求.外界激励f值、压磁系数d33和磁导率μ3T3对超磁致伸缩换能器的频响特性有明显影响,并且是研究换能器非线性刚度特性必须考虑的.     

超磁致伸缩执行器动力学模型及数值模拟

为提高超磁致伸缩执行器的控制精度,实现亚微米级的驱动与控制,准确描述执行器的动力学特性是关键环节之一.为建立超磁致伸缩执行器的动力学特性的数学模型,将Terfenol-D 棒作为粘弹性杆连续系统,将Terfenol-D棒在磁场驱动下产生的应变等效为磁-机械转换等效力,建立了执行器系统的一维波动方程,并采用有限元解法求解.模型的计算求解采用迭代方法,易于实现计算机控制.利用Matlab 7.0对不同频率等幅磁场驱动下Terfenol-D棒内的磁场-位移(H-u)曲线进行数值模拟仿真,仿真计算值与实验值误差在10%以内,表明建立的动力学模型能较好地反映磁致伸缩执行器的动力学特性.     

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.     

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.     

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.