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%。     

MSMA直线驱动器的数学模型及控制系统

针对新型功能材料磁控形状记忆合金(Magnetically Controlled Shape Memory Alloy简称MSMA)在磁场作用下变形量大、动态响应频率高、功率密度大和机电能量转换效率高的特点,提出了一种基于MSMA材料的新型直线驱动器及其控制系统的设计方案,在分析了其工作原理的基础上,建立了系统的动力学模型,并进行了分析计算;给出了MSMA驱动器的样机和实验结果,实验结果表明:模型的正确性和实用性,为MSMA材料在智能系统中的应用提供了理论和实验基础。     

磁控形状记忆合金执行器工作原理及其应用

磁控形状记忆合金是一种在磁场控制下可产生较大变形并具有形状记忆功能的新型功能材料。在阐述该种材料磁控特性的基础上,论述了磁控形状记忆合金执行器的工作原理,并以所研制的蠕动型磁控形状记忆合金直线电机为例,介绍了其设计方法与试验结果。     

压电、压磁复合结构的力学作用

嵌入薄板里的压电、压磁片作动器在板内产生作动力,根据变形协调,得出其弯矩推导公式.并对压电、压磁片厚度不同以及嵌入深度不同在板内产生的弯矩值进行比较,得出其作动力大小跟压电、压磁片厚度和嵌入深度有关的结论.     

磁控形状记忆合金振动发电机原理及建模方法研究

在能源日益缺乏的今天,环境中普遍存在的振动能量成为很多科技工作者新的能源资源。重点研究磁控形状记忆合金(magnetic controlled shape memory alloy,MSMA)振动发电机的建模问题。为了充分利用MSMA变形率大、易于控制、可逆效应输出感应电压大的特点,提出了利用MSMA的维拉利效应收集振动能量的发电机原理。通过分析MSMA马氏体相变特性和磁畴运动模式,利用吉布斯自由能函数,建立了MSMA振动发电机的数学模型,求出在磁场和振动力共同作用下振动发电机感应电动势与磁化强度和应变量的数学关系。分别分析了外加振动力、施加磁场、振动频率变化时对发电机输出电压的影响。仿真结果验证了利用MSMA合金制作微型振动发电机的可行性及数学模型的正确性。     

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.     

一种新型电永磁制动器结构设计及有限元分析

电磁作动器是一种得到广泛应用的运动和动力开闭控制执行装置.为提高其推力密度,尝试将永磁体引入电磁制动器的作动器中并设计一种新型电永磁作动器,在此基础上,提出一种新型电永磁常闭制动器.采用有限元法分析了电永磁作动器动作的可靠性及影响电磁吸力的因素;结果表明设计的常闭式电永磁制动器具有电磁吸力大、小电流可维持的优点.     

国内外超磁致伸缩材料及作动器的研究

超磁致伸缩作动器具有推力强、反应快和分辨率高等特点,在精密定位、精密驱动、机器人、微型阀等领域展现了广阔的应用前景本文在介绍超磁致伸缩材料及其应用的基础上,分析了国内外超磁致伸缩作动器的研究动态、应用状况等,并对几类超磁致伸缩作动器的原理、结构进行了阐述,最后提出了超磁致伸缩作动器的四个研究方向。     

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.     

分数槽结构悬架直线作动器的性能及其应用

针对电磁主动悬架用直线作动器推力密度低和推力波动大等缺点,提出一种分数槽结构的圆筒形永磁直线作动器,并建立作动器的有限元分析模型,通过理论计算其绕组反电动势验证了其正确性;同时,研究了作动器的作动力、响应时间和效率随速度和电源激励变化的规律.结果表明:作动器绕组的反电动势中含有3、2和4次的谐波分量;作动器作动力存在一定的波动,且随着电流增加而增大;作动器响应时间随着运行速度增加而减小;作动器效率与电压和速度相关,速度越大,效率越高,电压越大,效率越低.根据车辆在各工况下的悬架工作特性得出:当车辆侧倾时,作动器处于低速、大作动力、慢响应、高耗能的工作状态;当随机路面激励时,随着悬架运行速度的提高,应逐渐增大作动器电流激励的幅值和频率.     

两轴向磁场时磁控形状记忆合金的本构模型

采用热力学方法推导了磁控形状记忆合金在两轴向磁场作用下的力学本构模型,考虑了马氏体变体再取向的驱动力和阻力的平衡状态,建立了马氏体变体再取向的动力学方程。该模型用于分析NiMnGa单晶试样在双向磁场作用下的非线性力学行为和滞后效应,结果表明模型的预测数据和实验结果吻合性较好,从而说明模型是可行的。     

基于单片机的ESMAA伺服控制系统

介绍了一种新型SMA驱动器。该驱动器实际上是偏心内嵌有单程SMA丝的弹性硅胶棒。它集成了驱动单元和执行单元的功能,特别适于作为小型和微型机器人系统中的致动元件。研制了基于80C196KC单片机的弯曲型ESMAA柔性伺服控制系统,实现了基于SMA电阻反馈的PI^ 控制策略探讨和实验研究。     

Ni46Mn35Ga19单晶中磁转变和马氏体相变的物理表征及形状记忆效应

NiMnGa是最早发现的铁磁形状记忆合金,是一种新型的形状记忆材料。自发现以来,许多学者对其进行了深入的研究,但对磁转交和马氏体转变共同发生的转变特性却缺乏系统的表征。本文采用多种测量手段,如相变潜热、电阻、交流磁化率和应变测量,对提拉法生长的Ni46Mn35Ga19单晶的磁转变和马氏体相变同时发生的转变行为进行了系统表征;根据合金形状记忆的特点和马氏体变体择优取向的机理,对实验结果进行了分析和讨论。应变测量结果表明,伴随该转变行为,材料展现出应变量达-0．89％的自发双向形状记忆效应和应变量高达-1．90％的磁控形状记忆效应。     

6.5wt%Si高硅钢冷轧薄板制备工艺、结构和性能

Fe-6.5wt.%Si合金是一种具有高磁导率,低矫顽力和低铁损等优异软磁性能的合金。但是,其室温脆性和低的热加工性能严重影响了在工业领域的应用。本实验室利用热轧、温轧、冷轧和适当的热处理相结合的方法成功轧制了厚0.05mm的Fe-6.5wt.%Si合金薄板。所获得的冷轧薄板板型良好,表面平整厚度均匀,光洁度好,在室温下具有拉伸塑性,拉伸强度为1048MPa、延伸率为1.4%。在高温退火后获得无取向高硅钢薄板。退火后,薄板的硬度下降、弹性模量升高。本文主要研究了Fe-6.5wt.%Si合金脆性本质、加工工艺、显微组织变化及其与磁性能的关系。     

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.     

辊套材料的导磁性对铸轧区磁感应强度的影响

采用对比实验考察在新型材料辊套和合金钢辊套下铸轧区磁感应强度的差异;根据电磁场理论,研究上述2种辊套材料对铸轧区磁场的衰减和屏蔽效应.研究结果表明:合金钢辊套的相对磁导率为300,是新型辊套材料的300倍;合金钢辊套对磁场既具有衰减作用又具有聚磁效应,衰减作用使铸轧区的磁感应强度减小,聚磁效应使磁感应强度增大;合金钢辊套对磁场的聚磁效应比对磁场的衰减作用强,使铸轧区的磁感应强度增大5%左右.新型材料辊套对磁场只有衰减作用,使铸轧区的磁感应强度降低5%左右.当电磁感应器的励磁电流为10 A、励磁频率为13 Hz时,在合金钢辊套下比在新型材料辊套下铸轧区的磁感应强度大10%左右.从磁场利用的角度考虑,在电磁场快速铸轧技术中使用合金钢辊套比使用新型材料辊套更好.