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.     

超磁致伸缩驱动器的输出力动态响应特性

设计了一种新型超磁致伸缩驱动器,通过ANSYS有限元分析软件对超磁致伸缩驱动器的内部磁场进行了仿真。并搭建了输出力动态响应特性测试系统,通过改变外加电流与预紧力大小对驱动器的动态响应时间进行研究。实验结果表明,该驱动器的磁场设计合理;当电流小于2.5 A且预压力一定时,其输出力响应时间随电流的增大而减小;设计的驱动器在预压力达到300 N时输出力响应时间最短。     

超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数检测仪的研发

基于虚拟仪器软件平台LabVIEW，开发了磁致伸缩系数检测仪。论文介绍了检测仪的构成及在软件设计中的几个主要问题。     

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。     

超磁致伸缩驱动器(Terfenol-D)控制模型

分析了执行器的工作原理，并给出了其磁化、磁致伸缩模型；建立了一个执行器在低频驱动、准静态领域应用的、忽略磁滞效应、从输入电流到输出位移／力之间的用于位移控制的控制模型。     

稀土超磁致伸缩材料的制备与应用

稀土超磁致伸缩材料优良的特性和广泛的应用前景在国际范围内得到普遍重视,已成为磁致伸缩材科研究的重点。简要介绍了稀土磁致伸缩材料,着重评述稀土超磁致伸缩材料的制备方法、工艺特点和应用。     

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.     

超磁致伸缩微位移致动器碟簧特征分析与设计

在传统的超磁致伸缩微位移致动器碟簧设计中，以预压力大小作为唯一设计指标．首先定性分析了微位移致动器的结构形式、传力机理；然后定量分析了超磁致伸缩致动器的输出特征，指出引入软性碟簧的可行性和必要性，使超磁致伸缩材料在阶跃段可获得更大的位移输出．针对不同预压应力及相关条件设计碟簧参数，通过试验证明了采用软性碟簧可以有效降低阶跃段系统等效刚度，从而改善换能系统输出．     

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.     

Research on Giant Magnetostrictive Actuator for Turning Vibration Control

Magnetostriction is a phenomenon in which a magneti c field is used to produce a change in size of some materials. This property has b een known in elements such as nickel, iron and cobalt. Because the rare-ear th alloy Terfenol-D can offer much larger strains than nickel, iron, cobalt, an d other smart materials such as piezoelectric materials, it is called giant magn etostrictive material. Making use of the giant magnetostrictive material, the gi ant magnetostrictive actuator has higher bandwidth and r...     

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.     

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.     

考虑温变时超磁致伸缩微致动器的动力学分析

建立了考虑温度变化时的超磁致伸缩微致动器的动态振动微分方程,得到了微致动器振动响应的非共振解析解.在已知磁化强度情况下,讨论了温度和预应力对振动响应的影响,并得到了位移响应随温度变化的系数;解出由于超磁致伸缩材料非线性而产生的亚谐共振解,讨论了温度对共振因子的影响.仿真结果表明,超磁致伸缩材料的磁-力-热耦合非线性对微...     

超磁致伸缩微位移致动器的理论分析与设计

科学技术的快速发展使得机电设备越来越趋于微型化,为了在体积不足1cm^3的空间里达到精确测量,超磁致伸缩材料成为当下研究的热点。本文以J-A模型和磁-机效应法为依据,建立超磁致伸缩的磁机耦合模型,设计了以圆弧形超磁致伸缩薄片为核心部件的微型位移致动器。利用COMSOL Multiphysics仿真软件分析了当给予线圈电流密度为10^6A/m^2的驱动电流时,不同厚度的超磁致伸缩薄片模型,得到相应的应力张量图和磁致伸缩曲线。文中展示0.35mm厚度的铁镓合金辅以1mm厚度硅基底的致动器模型,并获得了较为理想的0.8μm输出位移量。将仿真与实验结果进行对比,证明了理论模型的准确性以及执行器结构的可行性。该微位移执行器具有体积小、响应快、精度高、便于集成等优点,在振动控制、微定位、机器人等领域有着广阔的应用前景。     

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·